一种高精度宽频谱分析仪的ytf压控电流驱动系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高精度宽频谱分析仪的YTF压控电流驱动系统，包括有CPU、EEPROM、CPLD、D/A转换电路、V/I转换电路、电流取样电路，其中EEPROM、CPLD分别接入CPU，D/A转换电路的输入接入CPLD，D/A转换电路的输出与V/I转换电路的输入连接，YTF调谐线圈分别接入V/I转换电路的输出、电流取样电路的输入，电流取样电路的输出与V/I转换电路的输入连接。本发明可获得稳定准确的电流输出，完成YTF调谐的温度及线性补偿，从而有效降低频率误差，实现YTF的良好跟踪特性。
【专利说明】一种高精度宽频谱分析仪的YTF压控电流驱动系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及频谱分析仪领域，具体是一种高精度宽频谱分析仪的YTF压控电流驱 动系统。
【背景技术】
[0002] YIG调谐滤波器（简称YTF)是以YIG小球作为谐振子，通过耦合产生谐振频率选 择输入信号，以起到滤波的作用。因 YTF具有极宽的频率调谐范围（可达到多个倍频程）， 广泛应用于宽带微波、毫米波接收机中对射频信号进行跟踪预选。
[0003] 现代高精度宽带频谱分析仪常采用本振扫描的超外差方案，即中频固定、本振扫 描，输入信号与本振信号混频产生中频信号。为获得较宽的工作频率范围，有效防止镜频信 号的产生。在高波段多数都采用预选器，使预选器中的YTF(YIG调谐滤波器）与第一本振 YIG滤波器（YTO)在系统的控制下同步调谐预选信号，对带外和镜像响应进行有效抑制。当 测量频率较高信号时，用一个可调谐的YTF微波组件代替了大量的带通滤波器，通过控制 滤波器的线圈电流来控制YTF调谐至所需要的频率段，然后与YTO混频产生中频。这样，通 过YTF电路，对高波段射频输入信号进行频率预选，可扩展频谱仪的测量频率范围，消除超 外差方案带来的镜频，进而达到选频及抑制多重响应的作用。
[0004] 为了如实响应测量信号的幅度值，需采用YTF和YTO同步扫描与跟踪技术，使YTF 的调谐频率和YTO的调谐频率始终保持固定的中频差。如果YTF和YTO之间跟踪不良，则 测量信号的幅度就存在误差，严重时频谱分析仪无法使用。因此，保证YTF和YTO之间的同 步扫描和良好跟踪是高精度宽带频谱分析仪设计的关键。
[0005] 在宽带频谱仪扫描工作状态下，YTF供电的具体控制方式是：扫描斜坡电压经过 YTF偏置电路后变为连续变化的电流，电流驱动YTF的调谐线圈产生磁场，磁场控制YIG小 球的谐振频率同步变化（磁场越强，谐振频率越高）。由于本振信号采用全程锁相技术，在 整个扫描过程中处于完全锁定状态，其调谐振荡频率和扫描时间呈线性关系。而YTF的驱 动则是开环的，且由于其固有的磁滞特性，当驱动电流变化速度缓慢时，YTF的调谐频率可 以跟踪扫描电流的变化而变化，此时尚具有良好的线性扫频特性。但当扫描电流快速变化 时，调谐频率来不及跟踪扫描电流的变化，从而使扫频特性偏离线性规律，扫频非线性系数 增大。此外，YTF温度漂移性质和磁路饱和引起的调谐非线性也会影响其跟踪性能。因此， 需要针对YTF调谐特性设计驱动电路，来实现YTF的良好跟踪特性。
[0006] YTF是电流驱动型器件，高稳定、高精度、高线性度可调恒流驱动决定其中心频率 的准确度；此外，YTF的调谐线圈呈感性，调谐线圈的等效电阻、电感、电容等参数对器件的 调谐速度、环境稳定性等有着重要的影响。因此，YTF压控电流驱动设计显得尤为重要，特 别是能否结合YTF的感性负载特性设计出快速扫描的精确电流驱动，更是设计高精度宽带 频谱分析仪的难点。
[0007] 为了实现YTF线性扫描调谐，传统的电路设计采用模拟扫描发生电路产生斜坡电 压，该斜坡电压通过电流取样电阻和单级功率放大管组成的电路实现电压电流（V/I)转 换，直接驱动YTF调谐线圈。电路中扫描电压发生电路一般由积分器组成，由于其受模拟元 器件本身的精度、离散性、泄漏及温度特性影响，因而会降低积分电流的准确度并造成积分 器存在积分非线性问题；另一方面，在快速扫描时，由于YTF的磁滞、动态非线性及温度漂 移引起的调谐非线性使线性斜坡电电流不能吻合YTF的跟踪特性，采用硬件补偿的方法来 对其线性度进行分段补偿，这就要增加较多的硬件电路，而且当YTF线性较差时，补偿的效 果不佳；此外，采用单级V/I转换电路无法实现高速的动态扫描和大动态电流调节功能。因 此传统的方案往往难以满足YTF驱动快速、高精度的要求，无法实现良好的频率跟踪预选。 为了实现高精度的快速扫描，需要采用新的驱动技术。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供一种高精度宽频谱分析仪的YTF压控电流驱动系统，以解决 现有技术存在的问题，实现快速扫描和良好的跟踪特性，为YTF提供稳定的压控电流输出， 获得电流的快速扫描特性和大动态调节范围，实现精确的频率跟踪预选功能。
[0009] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
[0010] 一种高精度宽频谱分析仪的YTF压控电流驱动系统，其特征在于：包括有CPU、 EEPR0M、CPLD、D/A转换电路、V/I转换电路、电流取样电路，其中EEPR0M、CPLD分别接入CPU， D/A转换电路的输入接入CPLD，D/A转换电路的输出与V/I转换电路的输入连接，YTF调谐 线圈分别接入V/Ι转换电路的输出、电流取样电路的输入，电流取样电路的输出与V/I转换 电路的输入连接；
[0011] 系统在校准的过程中通过CPU对YTF的磁滞、动态非线性及温度漂移等因素引起 的误差进行补偿修正，并将误差存入EEPROM存储器中；工作时CPU首先读取EEPROM中存 储的误差数据，并修正获得准确的驱动电流拟合曲线，接着CPU将驱动电流拟合曲线通过 CPLD转换为扫描发生逻辑信号，送入D/A转换电路，得到准确的扫描电压，V/I转换电路以 准确的扫描电压作为基准，并通过电流取样电路采样YTF调谐线圈电流值，转化为电压信 号，与基准进行误差比较放大，控制调整管导通状态，完成电压-电流转换功能，得到精确 的快速扫描电流，最后V/I转换电路将精确的快速扫描电流送入YTF调谐线圈以驱动YTF。
[0012] 所述的一种高精度宽频谱分析仪的YTF压控电流驱动系统，其特征在于：所述V/I 转换电路包括电流细调电路、预置电路，其中：
[0013] 电流细调电路包括功率管V2,功率管V2的栅极与一个运算放大器N3输出端连接， 运算放大器N3的同相输入端接地，运算放大器N3的反相输入端通过电流取样电路中的电 阻RlO与功率管V2的源极连接，运算放大器N3的反相输入端还通过电阻Rl 1与一个运算放 大器NI: 1输出端连接，运算放大器NI: 1的反相输入端与自身输出端连接，运算放大器NI: 1 的同相输入端接入D/A转换电路的输出，所述功率管V2的源极还通过电流取样电路中的电 阻R2接地，功率管V2的漏极连接至YTF调谐线圈一端，由功率管V2及其外围器件构成电 流细调电路；
[0014] 预置电路包括功率管Vl，功率管Vl的栅极与一个运算放大器N2:1的输出端连接， 运算放大器N2:l的同相输入端接地，运算放大器N2:l的反相输入端与自身输出端之间连 接有电容C1，电容Cl与运算放大器N2:l的反相输入端之间通过电阻R8接入电压-5Vr，运 算放大器N2:1的反相输入端还通过电阻R9与一个运算放大器Nl: 2的输出端连接，运算放 大器NI: 2的反相输入端与自身输出端连接，运算放大器NI: 2的同相输入端与功率管V2的 漏极连接，所述功率管Vl的漏极通过电阻Rl接入+36V电压，功率管Vl的漏极通过电阻R5 与一个运算放大器N2:2的同相输入端连接，运算放大器N2:2同相输入端与自身的输出端 之间连接有电阻R6,运算放大器N2:2的输出端还通过电阻R7与运算放大器N2:1的反相输 入端连接，运算放大器N2:2的反相输入端通过电阻R3接入+36V电压，运算放大器N2:2的 反相输入端还通过电阻R4接地，所述功率管Vl的源极连接YTF调谐线圈另一端，由功率管 Vl及其外围器件构成预置电路。
[0015] YTF压控电流驱动技术的重点在于快速扫描下完成稳定的电流调节，实现良好的 输出电流动态调整，获得高精度、低噪声的稳流效果。本发明采用的技术方案中，用数字扫 描电路替代传统模拟积分扫描电路，实现YTF高速电调谐；针对YTF调谐特性，采用分段 拟合的方式，通过软件补偿，合成满足快速扫描要求的YTF调谐驱动，实现YTF的良好跟 踪特性；设计两级调节V/I转换方案，采用预置电路进行电流预调整，完成稳定的闭环控制 和快速V/I转换，可在感性负载下获得较大的电流动态调节范围和优异的噪声指标，实现 精确的频率跟踪预选功能。
[0016] 本发明的有益效果是：YTF调谐频率的快速扫描，采用经本发明的压控电流驱动 技术，可获得稳定准确的电流输出，完成YTF调谐的温度及线性补偿，从而有效降低频率误 差，实现YTF的良好跟踪特性。因此，本发明在高精度宽带频谱分析仪的设计中具有良好的 应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1是本发明的原理框图。
[0018] 图2是本发明的V/I转换电路原理图。
【具体实施方式】
[0019] 参见图1所示，一种高精度宽频谱分析仪的YTF压控电流驱动系统，包括有CPU、 EEPR0M、CPLD、D/A转换电路、V/I转换电路、电流取样电路，其中EEPR0M、CPLD分别接入CPU， D/A转换电路的输入接入CPLD，D/A转换电路的输出与V/I转换电路的输入连接，YTF调谐 线圈分别接入V/Ι转换电路的输出、电流取样电路的输入，电流取样电路的输出与V/I转换 电路的输入连接；
[0020] 系统在校准的过程中通过CPU对YTF调谐线圈的磁滞、动态非线性及温度漂移因 数引起的误差进行补偿修正，并将误差存入EEPROM中，工作时CPU首先读取EEPROM中存 储的误差数据，并修正获得准确的驱动电流拟合曲线，接着CPU将驱动电流拟合曲线通过 CPLD转换为扫描发生逻辑信号，送入D/A转换电路，得到准确的扫描电压，V/I转换电路以 准确的扫描电压作为基准，并通过电流取样电路采样YTF调谐线圈电流值，转化为电压信 号，与基准进行误差比较放大，控制调整管导通状态，完成电压-电流转换功能，得到精确 的快速扫描电流，最后V/I转换电路将精确的快速扫描电流送入YTF调谐线圈以驱动YTF。
[0021] 如图2所示，V/I转换电路包括电流细调电路、预置电路，其中：
[0022] 电流细调电路包括功率管V2,功率管V2的栅极与一个运算放大器N3输出端连接， 运算放大器N3的同相输入端接地，运算放大器N3的反相输入端通过电流取样电路中的电 阻RlO与功率管V2的源极连接，运算放大器N3的反相输入端还通过电阻Rl 1与一个运算放 大器NI: 1输出端连接，运算放大器NI: 1的反相输入端与自身输出端连接，运算放大器NI: 1 的同相输入端接入D/A转换电路的输出，功率管V2的源极还通过电流取样电路中的电阻R2 接地，功率管V2的漏极连接至YTF调谐线圈一端，由功率管V2及其外围器件构成电流细调 电路；
[0023] 预置电路包括功率管Vl，功率管Vl的栅极与一个运算放大器N2:1的输出端连接， 运算放大器N2:l的同相输入端接地，运算放大器N2:l的反相输入端与自身输出端之间连 接有电容C1，电容Cl与运算放大器N2:l的反相输入端之间通过电阻R8接入电压-5Vr，运 算放大器N2:1的反相输入端还通过电阻R9与一个运算放大器Nl: 2的输出端连接，运算放 大器Nl: 2的反相输入端与自身输出端连接，运算放大器Nl: 2的同相输入端与功率管V2的 漏极连接，所述功率管Vl的漏极通过电阻Rl接入+36V电压，功率管Vl的漏极通过电阻R5 与一个运算放大器N2:2的同相输入端连接，运算放大器N2:2同相输入端与自身的输出端 之间连接有电阻R6,运算放大器N2:2的输出端还通过电阻R7与运算放大器N2:1的反相 输入端连接，运算放大器N2:2的反相输入端通过电阻R3接入+36V电压，运算放大器N2:2 的反相输入端还通过电阻R4接地，功率管Vl的源极连接YTF调谐线圈另一端，由功率管Vl 及其外围器件构成预置电路。
[0024] 图1中，由CPU电路、EEPROM电路、CPLD电路和高速D/A电路实现数字扫描功能， 系统在校准的过程中通过CPU对YTF的磁滞、动态非线性及温度漂移等因素引起的误差进 行补偿修正，并将误差存入EEPROM存储器中。设计中，除了高速D/A及EEPROM存储器电 路，所有的前端扫描发生逻辑都设计在一个可编程逻辑器件CPLD内部，既减小了硬件电路 的体积，又保持了驱动的稳定性。每次CPU通过D/A变换器给YTF加驱动电流时，先读取 EEPROM存储器中的内容，并用它修正获得准确的拟合曲线，通过CPLD电路送入高速D/A，得 到准确的扫描电压，作为V/I转换电路的基准，并通过电流取样，完成电压-电流转换功能， 为YTF提供精确的快速扫描电流。由于修正量通过软件补偿，可大大降低电路实施的复杂 程度，提高电流输出的准确度。
[0025] V/I转换电路采用两级调节结构，如图2所示。其中，功率管Vl及其外围器件组 成预置电路，用于大电流的预调整，通过高增益的的调节量使环路快速向预定电流点逼近， 减少环路动态捕捉时间。功率管V2及其外围器件组成电流细调电路，可实现电流的精确调 整。通过预置电路参数设置，将功率管V2的上的压降锁定在一个合适的固定值上，使功率 管V2工作在线性放大区，避免了器件进入饱和区，从而提高了电路的响应速度，保证了快 速VI转换精度。同时，调整器件的偏置点稳定，只需在较窄范围内进行环路补偿，显著降 低了系统稳定性设计的难度。
[0026] 图2中，运放NI: 1和Nl: 2接成电压跟随器电路，用于微弱信号的缓冲。
[0027] 运放N2:2及电阻R3?R6组成差分放大器，其中R3 = R5、R4 = R6,可将电流Il 取样放大，C点输出为：
【权利要求】
1. 一种高精度宽频谱分析仪的Y T F压控电流驱动系统，其特征在于；包括有CP U、 EEPROM、CPLD、D/A转换电路、VI转换电路、电流取样电路，其中EEPROM、CPLD分别接入CPU, D/A转换电路的输入接入CPLD，D/A转换电路的输出与VI转换电路的输入连接，YTF调谐 线圈分别接入V/I转换电路的输出、电流取样电路的输入，电流取样电路的输出与V/I转换 电路的输入连接； 系统在校准的过程中通过CPU对YTF的磁滞、动态非线性及温度漂移等因素引起的误 差进行补偿修正，并将误差存入邸PROM存储器中；工作时CPU首先读取邸PROM中存储的误 差数据，并修正获得准确的驱动电流拟合曲线，接着CPU将驱动电流拟合曲线通过CPLD转 换为扫描发生逻辑信号，送入D/A转换电路，得到准确的扫描电压，V/I转换电路W准确的 扫描电压作为基准，并通过电流取样电路采样YTF调谐线圈电流值，转化为电压信号，与基 准进行误差比较放大，控制调整管导通状态，完成电压-电流转换功能，得到精确的快速扫 描电流，最后V/I转换电路将精确的快速扫描电流送入YTF调谐线圈W驱动YTF。
2. 根据权利要求1所述的一种高精度宽频谱分析仪的YTF压控电流驱动系统，其特征 在于；所述V/I转换电路包括电流细调电路、预置电路，其中： 电流细调电路包括功率管V2,功率管V2的栅极与一个运算放大器N3输出端连接，运 算放大器N3的同相输入端接地，运算放大器N3的反相输入端通过电流取样电路中的电阻 R10与功率管V2的源极连接，运算放大器N3的反相输入端还通过电阻R11与一个运算放 大器N1:1输出端连接，运算放大器N1:1的反相输入端与自身输出端连接，运算放大器N1:1 的同相输入端接入D/A转换电路的输出，所述功率管V2的源极还通过电流取样电路中的电 阻R2接地，功率管V2的漏极连接至YTF调谐线圈一端，由功率管V2及其外围器件构成电 流细调电路； 预置电路包括功率管VI，功率管VI的栅极与一个运算放大器N2:l的输出端连接，运算 放大器N2:l的同相输入端接地，运算放大器N2:l的反相输入端与自身输出端之间连接有 电容C1，电容C1与运算放大器N2:1的反相输入端之间通过电阻R8接入电压-5Vr，运算放 大器N2:1的反相输入端还通过电阻R9与一个运算放大器N1:2的输出端连接，运算放大器 N1:2的反相输入端与自身输出端连接，运算放大器N1:2的同相输入端与功率管V2的漏极 连接，所述功率管VI的漏极通过电阻R1接入+36V电压，功率管VI的漏极通过电阻R5与 一个运算放大器N2:2的同相输入端连接，运算放大器N2:2同相输入端与自身的输出端之 间连接有电阻R6,运算放大器N2:2的输出端还通过电阻R7与运算放大器N2:1的反相输 入端连接，运算放大器N2:2的反相输入端通过电阻R3接入+36V电压，运算放大器N2:2的 反相输入端还通过电阻R4接地，所述功率管VI的源极连接YTF调谐线圈另一端，由功率管 VI及其外围器件构成预置电路。
【文档编号】G05F1/56GK104460797SQ201410571550
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年10月22日 优先权日:2014年10月22日
【发明者】李斌, 王俊, 王文廷, 张根苗 申请人:中国电子科技集团公司第四十一研究所