周 敬，石 雄

(1.烏魯木齊市供電公司安全質(zhì)量監(jiān)察部，新疆烏魯木齊 830011;2.武漢輕工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢 430023)

倒計(jì)數(shù)法測頻是頻率測量的方法之一，和計(jì)數(shù)法相比，它的相對誤差和被測信號的周期無關(guān);和游標(biāo)內(nèi)插法相比，它的電路結(jié)構(gòu)要簡單得多、成本也低很多，因此倒計(jì)數(shù)法測頻在很多場合得到了廣泛應(yīng)用［1］。

某型警戒雷達(dá)的自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)中［2］，在發(fā)射脈沖持續(xù)期間，將頻率未知的發(fā)射脈沖與頻率已知的當(dāng)前本振信號混頻后取下中頻，進(jìn)行必要的濾波、放大后通過比較器整理成方波。取該方波序列中的Nx個(gè)周期形成計(jì)數(shù)區(qū)間，控制由74F161組成的高速TTL計(jì)數(shù)器在該計(jì)數(shù)區(qū)間內(nèi)對100 MHz的標(biāo)準(zhǔn)方波進(jìn)行計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)結(jié)果通過373鎖存器鎖存后由單片機(jī)讀入［3］，經(jīng)計(jì)算后即可得到當(dāng)前這個(gè)發(fā)射脈沖的實(shí)際頻率。單片機(jī)再根據(jù)測量結(jié)果控制由DDS芯片組成的本振信號合成器，使本振信號頻率跟蹤發(fā)射信號頻率的變化，從而保證中頻信號的穩(wěn)定，為雷達(dá)接收機(jī)進(jìn)行后續(xù)的信號處理奠定基礎(chǔ)。

1 倒計(jì)數(shù)法頻率測量原理

計(jì)數(shù)器用于測量時(shí)，通常是在給定的一段時(shí)間T內(nèi)對信號(周期為Tx，頻率為fx)計(jì)數(shù)，如圖1所示。當(dāng)T未知、Tx(或fx)已知時(shí)測量的是時(shí)間T，稱為測時(shí)模式，而T已知、Tx(或fx)未知時(shí)測量的是頻率(或周期)，即為測頻模式。

測頻模式時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)果為N時(shí)，則頻率測量結(jié)果為:

測量者在選定T時(shí)通常選秒或其它十進(jìn)制時(shí)間單位，如10 s、10 ms，這樣便于后續(xù)的計(jì)算。這樣的測量存在一定的量化誤差，被測信號周期Tx與T之間的數(shù)學(xué)關(guān)系可以用式(2)和式(3)描述:

相對誤差對于測頻模式來講具有更重要的意義，計(jì)數(shù)法測頻的最大相對誤差為±Tx/T，它與Tx成正比，當(dāng)Tx與T相近時(shí)，誤差就很大［1］。

計(jì)數(shù)法測量的誤差源|τ1－τ2|取決于計(jì)數(shù)脈沖To(或Tx)。測時(shí)模式中對一個(gè)已知的f0計(jì)數(shù)，T0可以設(shè)計(jì)得很小，從而使|τ1－τ2|也很小;而測頻模式中對Tx進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，Tx是被測的，無法控制這個(gè)量，于是測頻過程中引入了一個(gè)不確定的誤差源。

倒計(jì)數(shù)法測頻就是在吸收測時(shí)模式的優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，它與基本測頻模式相反，計(jì)數(shù)區(qū)間T’由被測信號的Nx個(gè)周期形成，即T’=Nx·Tx，在 T’時(shí)間內(nèi)，由計(jì)數(shù)器對時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)f0計(jì)數(shù)。這樣，測頻就轉(zhuǎn)變?yōu)闇y量門寬T’，而T’的最大量化誤差為T0，Tx的最大量化誤差是T0/Nx，Nx根據(jù)需要選定，一旦確定一般不再更改。具體測量時(shí)，先由控制電路產(chǎn)生一個(gè)寬度為T'的脈沖，由這個(gè)脈沖的前后沿來測定被測信號，即有Nx·Tx≈N·T0，N為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果。圖2為其時(shí)序圖。

圖1 計(jì)數(shù)器基本測量方法

圖2 倒計(jì)數(shù)法頻率測量時(shí)序

2 倒計(jì)數(shù)頻率測量電路

某型米波雷達(dá)的發(fā)射脈沖的寬度是13 μs，采用單級振蕩式發(fā)射機(jī)，第一中頻頻率為30 MHz，穩(wěn)定工作時(shí)發(fā)射頻率與本振頻率的差應(yīng)該是準(zhǔn)確的30 MHz。倒計(jì)數(shù)頻率測量模塊將在脈沖持續(xù)期間對第一中頻進(jìn)行測量，由于本振頻率已知，即能測得發(fā)射頻率。圖3是某型雷達(dá)自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)的組成框圖，其中除DDS本振合成器和高穩(wěn)時(shí)標(biāo)外的其余部分即是頻率測量電路，高穩(wěn)時(shí)標(biāo)電路采用100 MHz恒溫晶體振蕩器產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的高穩(wěn)定度(10－9)時(shí)間基準(zhǔn)方波。

信號處理電路將雷達(dá)發(fā)射脈沖下變頻后進(jìn)行濾波、整形，得到整理成方波的中頻信號?；祛l器選用AD831，整形器選用MAX961。

圖3 某型雷達(dá)自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)的組成框圖

脈沖雷達(dá)的每個(gè)重復(fù)周期通常以觸發(fā)脈沖為起始標(biāo)記，觸發(fā)脈沖觸發(fā)調(diào)制器進(jìn)而打開發(fā)射機(jī)產(chǎn)生發(fā)射脈沖，相應(yīng)地，倒計(jì)數(shù)測頻模塊亦以觸發(fā)脈沖作為模塊工作循環(huán)的起始標(biāo)記。

考慮到發(fā)射機(jī)工作于脈沖狀態(tài)，每個(gè)發(fā)射脈沖的前沿和后沿(起振和停振)中振蕩不穩(wěn)定，所以取脈沖中間的10 μs作為測頻區(qū)間，即取300個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間形成計(jì)數(shù)區(qū)間。在電路設(shè)計(jì)上使用第八個(gè)脈沖的上升沿打開計(jì)數(shù)器，第308個(gè)脈沖的上升沿關(guān)閉計(jì)數(shù)器。308的二進(jìn)制值為100110100，在電路上選用4輸入與非門74F20，四個(gè)輸入端分別接161計(jì)數(shù)輸出的第二、第四、第五、第八位，輸出即是計(jì)數(shù)器T的關(guān)閉信號。當(dāng)這4位同時(shí)為1時(shí)即計(jì)到第308個(gè)脈沖，4輸入端與非門變?yōu)?，關(guān)閉計(jì)數(shù)器T。完成一次測量、CPU讀入測量結(jié)果后會(huì)將計(jì)數(shù)器T清零，這將導(dǎo)致4輸入端與非門的4個(gè)輸入均為低電平，其輸出必轉(zhuǎn)換為高，即打開了161計(jì)數(shù)器兩個(gè)控制端中的一個(gè)，只等另一個(gè)控制端也變高電平就開始計(jì)數(shù)。

為防止出現(xiàn)發(fā)射脈沖不穩(wěn)定，計(jì)數(shù)器無法計(jì)到第308個(gè)脈沖，采用74LS221單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器定時(shí)12 μs，即計(jì)數(shù)時(shí)間達(dá)到12 μs電路將強(qiáng)制關(guān)閉計(jì)數(shù)器，既避免系統(tǒng)長期等待中頻方波信號導(dǎo)致死機(jī)，又保證不影響到下一周期的測量。

計(jì)數(shù)器T可以用74LS161級聯(lián)計(jì)數(shù)［4］，而計(jì)數(shù)器T0由于時(shí)鐘頻率為100 MHz的方波必須選用74F161。F系列的TTL芯片能夠工作到100 MHz以上的時(shí)鐘頻率，LS系列等計(jì)數(shù)頻率一般不超過50 MHz。T的最大計(jì)數(shù)值為300，所以需要三片161計(jì)數(shù)器級聯(lián)，級聯(lián)以后由最低位的161的CET、CEP端控制計(jì)數(shù)器的開關(guān)，兩端同時(shí)為高電平時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，任何一端位低電平計(jì)數(shù)器即停止。

為保證計(jì)數(shù)結(jié)果能及時(shí)保存并與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線連接，為計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)了由LS373組成的緩存電路，每次關(guān)閉計(jì)數(shù)器的同時(shí)將計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)果鎖存到LS373，CPU讀該計(jì)數(shù)結(jié)果時(shí)分低8位和高4位分別讀取。

測頻電路的工作過程是:當(dāng)雷達(dá)觸發(fā)脈沖到來時(shí)，時(shí)序控制電路打開計(jì)數(shù)器T，發(fā)射脈沖經(jīng)下變頻、濾波、整形轉(zhuǎn)換成TTL方波作為計(jì)數(shù)器T的時(shí)鐘，當(dāng)計(jì)數(shù)器T計(jì)到第8個(gè)脈沖時(shí)，時(shí)序控制電路打開計(jì)數(shù)器T0，T0開始對高穩(wěn)定時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù);當(dāng)計(jì)數(shù)器T計(jì)到第308個(gè)脈沖時(shí)，時(shí)序控制電路關(guān)閉計(jì)數(shù)器T和T0，并通知單片機(jī)已經(jīng)完成一次頻率測量，單片機(jī)取走測量結(jié)果，并對硬件電路復(fù)位準(zhǔn)備下一個(gè)周期的測量。圖4為測頻電路的簡略時(shí)序圖。

圖4 測頻電路的簡略時(shí)序圖

在正常工作時(shí)，發(fā)射脈沖與本振信號下變頻的輸出頻率應(yīng)該是準(zhǔn)確的30 MHz，在10 μs的測頻時(shí)間內(nèi)有300個(gè)脈沖，高穩(wěn)定的時(shí)標(biāo)的頻率是100 MHz，T0=10 ns，相應(yīng)的 Tx的最大誤差是 T0/300=1/30 ns，據(jù)此可計(jì)算出測頻的分辨率是30 kHz，相對于雷達(dá)中頻放大器接近1 MHz的帶寬而言，此指標(biāo)已經(jīng)完全滿足雷達(dá)系統(tǒng)的要求。該電路實(shí)際測量結(jié)果達(dá)到了使雷達(dá)第一中頻信號的誤差小于等于30 kHz的效果。

3 結(jié)束語

雷達(dá)利用回波信號定位目標(biāo)，其發(fā)射功率小則數(shù)十千瓦，大則上千千瓦。如此強(qiáng)大的發(fā)射功率對發(fā)射機(jī)附近的其它電子設(shè)備產(chǎn)生極強(qiáng)的干擾，而倒計(jì)數(shù)測頻電路及其組成的AFC電路系統(tǒng)必須在發(fā)射脈沖持續(xù)期間進(jìn)行頻率測量，這就對其抗干擾能力提出了很高要求。

在測頻和頻率合成電路的實(shí)現(xiàn)過程中，充分利用了雷達(dá)方艙內(nèi)尚有足夠空間的優(yōu)勢，采用多層屏蔽、電源濾波、優(yōu)化電路板設(shè)計(jì)等措施保證了倒計(jì)數(shù)測頻電路及頻率合成電路在強(qiáng)干擾下的穩(wěn)定工作，已經(jīng)成功應(yīng)用于國產(chǎn)某型雷達(dá)上，使該型雷達(dá)的技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)得到顯著提高。

［1］曲衛(wèi)振，林寶軍，王學(xué)軍.時(shí)間頻率的高精度測量方法［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù).1998(8).

［2］丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理(第3版)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2011.

［3］郭天祥.51單片機(jī)C語言教程—入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［4］趙保經(jīng).中國集成電路大全TTL集成電路［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1985.