移相時鐘測頻模塊設(shè)計方案

本文根據(jù)雷達(dá)發(fā)射機(jī)頻率快速變化的特點(diǎn)，采用目前新型的邏輯控制器件研究新型頻率測量模塊，結(jié)合等精度內(nèi)插測頻原理，對整形放大后的脈沖直接計數(shù)，實現(xiàn)對下變頻后單脈沖包絡(luò)的載波快速測頻。具有測量精度高，測量用時短的特點(diǎn)，能作為脈沖雷達(dá)單脈沖瞬時測頻模塊。

　　1 移相時鐘計數(shù)法測頻原理

　　移相時鐘計數(shù)法以等精度測頻法為基礎(chǔ)，是一種新的內(nèi)插技術(shù)，其多路同頻但不同相位的時鐘由FPGA內(nèi)部的PLL產(chǎn)生，然后分別傳送到相應(yīng)的計數(shù)器計數(shù)，在實際閘門開啟時段各計數(shù)器同時計數(shù);實際閘門關(guān)閉后，再將總計數(shù)值用于測頻運(yùn)算。具體方法為：實際閘門作為關(guān)鍵邏輯信號，通過全局時鐘布線和4個同步計數(shù)器的計數(shù)使能端(cnt_ena)相連，作為計數(shù)器的計數(shù)使能信號;四路時鐘信號作為計數(shù)器的計數(shù)時鐘，分別和4 個計數(shù)器的時鐘端(clk)相連，實現(xiàn)4個計數(shù)器對實際閘門脈寬計數(shù)，計數(shù)器設(shè)置為在時鐘上升沿加1計數(shù)。設(shè)4個計數(shù)器的計數(shù)值分別為ns1、ns2、 ns3、ns4，假設(shè)總計數(shù)值為N′s，由于每個計數(shù)器計數(shù)值的變動都會使N′s的值發(fā)生變動，而n21、ns2、ns3、ns4對應(yīng)的計數(shù)時鐘相互有 90°的相位差(Tdk/4計數(shù)時間)，則計數(shù)值N′s會在每Tdk/4時間增加1。等效于將一路標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)時鐘進(jìn)行4倍頻。在一次測量結(jié)束后(即實際閘門關(guān)閉)，再利用公式計算得到實際閘門脈寬測量值，則等精度測頻公式：

　　對比式(1)和(2)可知，將4個計數(shù)器計數(shù)值ns1、ns2、ns3、ns4求和運(yùn)算的結(jié)果作為新的計數(shù)值進(jìn)行測頻運(yùn)算，其測頻結(jié)果等效為將標(biāo)準(zhǔn)頻率4倍頻。該結(jié)論也可從相對誤差的角度進(jìn)行說明，由于等精度測頻法的實際閘門和被測信號同步，故式(2)中的Nx不存在量化誤差。而實際閘門和標(biāo)準(zhǔn)時鐘不同步，則N′s存在±1量化誤差。則測頻的相對誤差為：

　　由于計數(shù)值N′s幾乎為Ns的4倍，故式(2)所對應(yīng)的誤差是式(1)對應(yīng)的1/4。即通過四路移相時鐘測頻的方法，在測量時間和基準(zhǔn)時鐘頻率不變的情況下，使測量的相對誤差變?yōu)樵`差的1/4，測量精度提高了4倍。若增加移相時鐘的路數(shù)，則測量精度會進(jìn)一步提高。

　　2 新型測頻模塊總體方案設(shè)計

　　利用移相時鐘計數(shù)法構(gòu)建中頻瞬時測量模塊來實現(xiàn)頻率的測量，該測頻模塊的測量對象是脈沖雷達(dá)接收機(jī)下變頻后的中頻信號。總體設(shè)計目標(biāo)是構(gòu)建一個數(shù)字化、綜合化、自動化的測試平臺，能滿足脈內(nèi)測頻的要求，能進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，并有一定的移植型和升級性，建立系統(tǒng)的基本框架如圖1。

　　整個系統(tǒng)的工作機(jī)理是：操作人員通過上位機(jī)人機(jī)界面對該模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和功能選擇，人機(jī)界面的設(shè)定值通過串口傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)作為測量模塊的控制部件，控制FPGA完成相應(yīng)的測量任務(wù)，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)具體測頻算法實現(xiàn)。測試完成后，測試結(jié)果通過單片機(jī)傳送給上位機(jī)人機(jī)界面顯示，兩者通過 RS232串口連接。整個設(shè)計中FPGA內(nèi)部的測頻算法電路為核心電路。

　　3 FPGA測頻算法電路設(shè)計

　　采用Altera公司StratixII系列EP2S15F484C5型FPGA為核心控制單元。內(nèi)部的測頻算法電路主要包括PLL輸出時鐘的走線、時序控制單元、數(shù)據(jù)處理單元。這些單元是實現(xiàn)測頻算法的核心，需要將各單元按相互提供的接口在FPGA內(nèi)部進(jìn)行連接，構(gòu)成完整的測頻模塊，實現(xiàn)等精度測頻功能。輸入信號分別為10 MHz的時鐘信號、脈沖包絡(luò)信號和被測信號;輸出信號為時鐘計數(shù)值和ns被測信號計數(shù)值nx，其原理總框圖如圖2。

　　利用PLL輸出多路計數(shù)時鐘，可在FPGA內(nèi)部通過PLL級聯(lián)的方式增大最大倍頻數(shù)。首先利用EPLL將恒溫晶振輸入的10 MHz時鐘倍頻到50 MHz，傳輸給FPLL作為FPLL的基準(zhǔn)時鐘。FPLL再將輸入時鐘倍頻到400 MHz，并移相、抽頭得到四路移相時鐘。FPLL移相度數(shù)設(shè)置為：0°、90.0°、180°、270.0°，最終實際度數(shù)和設(shè)置值一致。由于FPLL周圍布置了4根全局時鐘線，故FPLL的輸出時鐘全部可通過GLOBAL器件進(jìn)行全局時鐘線布線。 被測信號為脈沖調(diào)制波的載波信號。該信號經(jīng)過整形放大電路處理后形成脈沖串輸入到FPGA的專用時鐘引腳。由于電路和器件的影響，脈沖串的頭、尾部信號的幅度和頻率均不穩(wěn)定，在FPGA內(nèi)部表現(xiàn)為頻率波動較大，故只能選取脈沖串中間的穩(wěn)定部分作為測量對象。

　　脈沖包絡(luò)信號由檢波電路提供，作為被測信號的脈沖寬度輸入信號。若采用變閘門測頻方式，脈寬計數(shù)器對每個脈沖包絡(luò)的寬度進(jìn)行測量，其脈寬值在脈沖包絡(luò)下降沿時保存，并在下一個脈沖包絡(luò)的上升沿之前提供給預(yù)閘門計數(shù)器作為預(yù)閘門計數(shù)參考值。

　　該測頻方案需對連續(xù)波進(jìn)行1 ms閘門時間的測量，對于400 MHz的標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號，采用二十位同步計數(shù)器對被測信號和標(biāo)準(zhǔn)時鐘計數(shù)。二十位同步計數(shù)器的計數(shù)頻率可達(dá)416 MHz，其最大計數(shù)值為1048576，用400 MHz的標(biāo)準(zhǔn)時鐘信粵計數(shù)，對應(yīng)的計數(shù)時間為2.6 ms。計數(shù)器用Quartus6.0軟件中的Mega Wizard Plug-in Manager工具包調(diào)用ALTERA公司提供的IP核自動生成。

　　4 外圍電路設(shè)計

　　外圍電路包括為FPGA提供標(biāo)準(zhǔn)10 MHz時鐘的恒溫晶振電路;對輸入信號進(jìn)行放大、整形處理的整形電路;脈沖包絡(luò)檢測電路以及為整個模塊提供-5 V、+1.2 V、+3.3 V、+5 V電壓的電源電路。

　　本課題測頻精度要求為±10-6，振蕩器的頻率精度至少要達(dá)到±10-7，只能選用壓控恒溫晶體振蕩器構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)頻率源。本課題所用晶振為成都星華公司產(chǎn)品，通過儀器內(nèi)部自帶的Allan方差測試軟件得到OCXO的秒穩(wěn)在3.3×10-12，100 s的短穩(wěn)在4.4×10-12。

　　信號接收機(jī)傳送來的被測信號振幅通常只有毫伏量級，而FPGA的輸入端口一般為LVTTL電平，故需要將輸入信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。FPGA的 LVTTL電平格式輸入端口的最高頻率達(dá)到200 MHz，為了能和該頻率值相配合，不形成速度瓶頸，采用超高速ECL電平輸出比較器ADC-MP563完成信號整形功能，串接電平轉(zhuǎn)換器 MC100EPT25完成差分ECL電平到LVTTL邏輯電平的轉(zhuǎn)換。

　　脈沖包絡(luò)檢測電路檢測被測信號的包絡(luò)線，用于測量脈沖寬度。采用AD公司檢波芯片AD8310構(gòu)建檢波電路，對被測信號的檢波采用單端輸入的方式。上位機(jī)用CV18.0構(gòu)建人機(jī)界面。

　　5 仿真結(jié)果說明

　　測試方法：分別用Agilent公司矢量信號發(fā)生器E4438C和任意波形發(fā)生器33250輸出信號作為被測對象，用該測頻模塊對其信號頻率進(jìn)行測量，各計數(shù)值通過單片機(jī)串口上傳到上位機(jī)處理軟件，該軟件通過程序?qū)崿F(xiàn)式(2)的算法，計算測量頻率值。測量結(jié)果如表1所示。

　　表1為不定脈寬脈內(nèi)載波頻率測量，閘門時間根據(jù)測量開始后第一個脈沖包絡(luò)的脈寬測量值確定，由于E4438C在產(chǎn)生4μs脈寬時波動較大，故在某些頻點(diǎn)實際閘門時間偏差較大。實驗表明：系統(tǒng)對脈沖調(diào)制波載波測頻，在不定脈寬(4μs左右)狀態(tài)下對中頻的測頻精度優(yōu)于±10 kHz。

　　表2為不定脈寬脈內(nèi)載波頻率測量。頻率源為Agilent公司的任意波形發(fā)生器33250。實驗表明：系統(tǒng)對脈沖調(diào)制波載波測頻，在不定脈寬(≤400 ns)狀態(tài)下對中頻的測頻精度優(yōu)于±30 kHz。

　　6 結(jié)束語

　　本文所提出的基于多路移相時鐘的等精度瞬時測頻模塊具有電路簡單，性價比高的特點(diǎn)，可用于捷變頻脈沖調(diào)制雷達(dá)脈內(nèi)測頻。最為核心的測頻電路完全在FPGA內(nèi)部構(gòu)建，輸入的標(biāo)準(zhǔn)時鐘僅為10 MHz，不僅減小了布線和制板的難度，而且大幅提高了模塊的抗干擾能力保證了測量精度。整個測頻模塊用一塊板卡實現(xiàn)，通過測試達(dá)到預(yù)期效果，證明該設(shè)計方案具有很高的實用性。