基于PID的寬帶自動電平控制系統設計

王 蒙

（中國電子科技集團公司第四十一研究所，山東 青島 266555）

0 引言

自動電平控制（ALC）技術已廣泛應用于通信發射機、微波信號發生器、矢量網絡分析儀等測量儀器[1]，在微波信號發生器中，ALC是實現功率準確度和功率分辨率指標的關鍵。因信號源本身受外界干擾及電子元器件的不穩定、特性不理想等原因，使得信號源難以輸出幅度平穩的信號，并且有時需要根據實際情況對信號幅度進行設置，這時就要采用ALC技術來對輸出信號的功率進行控制[2]。

本文所提出的基于PID的自動電平控制方法，采用PID控制器對ALC環路上的衰減器進行控制，在一定范圍內實現對射頻輸出信號幅度的自動調節，精確的控制射頻輸出信號幅度，使得射頻輸出信號的幅度更加平穩。

1 寬帶微波發生器中的ALC系統

1.1 開環式ALC系統

一種簡單的開環式ALC控制系統如圖1所示，它由射頻放大器、電控衰減器、數模轉換器（DAC）、放大器四部分組成。其中uref是參考電平信號，uc是電控衰減器的控制信號。

圖1 開環式ALC系統原理圖

這種開環式ALC系統的優點是結構簡單，但是由于控制信號與輸出射頻信號之間沒有反饋通路[3]，輸出射頻信號不能對控制信號uc產生影響，因而系統的魯棒性較差。開環式ALC系統適用于輸入射頻信號穩定，對抗干擾要求不高的場合。

1.2 基于PID的閉環式ALC系統

如圖2所示，基于PID的閉環式ALC控制系統由射頻放大器、電控衰減器、二極管檢波器、雙斜率對數放大器、DAC、PID控制器、放大器組成。 其中udet是檢波電平信號，ulog是雙斜率對數大器輸出的電平信號，uref是參考電平信號，e是誤差信號，uc1是PID控制器的輸出信號，uc是uc1通過放大器產生的控制信號。

圖2 基于PID的閉環式ALC系統原理圖

當射頻輸入功率發生波動或存在擾動信號時，基于PID的閉環式ALC系統可以通過反饋回路，來實時調整輸出信號的功率，使輸出信號功率保持較高準確度[4]，有效抑制射頻輸入功率波動和擾動信號對輸出信號功率的影響，提高了系統的抗干擾性[5]。

2 基于PID的自動電平控制器設計

在基于PID的閉環式ALC系統中，利用二極管檢波器把交流射頻輸出信號轉換為直流信號udet（udet＜0），再利用雙斜率對數放大器，把udet轉換成的與交流射頻輸出信號的功率成正比的直流信號 ulog（ulog＜0），這樣交流輸出信號就引入到負反饋通路上。若通過主控程序設置 DAC輸出的參考電平信號為 uref（uref＞0），則誤差e為：

根據圖2設計 PID控制器，則 uc1為：

其中為Kp比例增益，Ti為積分時間，Td為微分時間。

當誤差信號e不為零時，PID控制器有電流流過，uc1和uc的值發生改變，在的作用下，電控衰減器的衰減量進行調整，進而改變射頻輸出信號的功率，直至誤差信號e為零，此時PID控制器沒有電流流過，系統達到穩定狀態[5]，射頻輸出信號的功率為動態范圍內指定的功率。

3 結果與分析

將基于PID的閉環式ALC系統應用于微波信號發生器中，相關的典型技術指標如下：

（1）頻率范圍：24.25GHz-30GHz

（2）穩幅功率范圍：-30dBm～0dBm

（3）功率準確度：±0.6dB

（4）功率分辨率：0.05dB

用微波功率計對微波信號發生器輸出的功率進行測量，得到的結果如圖3所示，可以看出，經基于PID的ALC系統穩幅后，微波信號發生器輸出0dBm功率時的平坦度為±0.2dBm。

圖3 功率平坦度測量曲線

4 結論

本文提出的基于PID的自動電平控制方法，實現了射頻輸出信號的功率對給定值的自動跟蹤，提高了輸出信號的功率平坦度，并有效抑制擾動信號對輸出信號的影響，使微波信號發生器具有較強的魯棒性。