基于多路移相時鐘的瞬時測頻模塊設(shè)計

　　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行電平轉(zhuǎn)換。FPGA的LVTTL電平格式輸入端口的最高頻率達到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。上位機用CV18.0構(gòu)建人機界面。

　　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行測量，各計數(shù)值通過單片機串口上傳到上位機處理軟件，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，可用于捷變頻脈沖調(diào)制雷達脈內(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)，通過測試達到預(yù)期效果，證明該設(shè)計方案具有很高的實用性。