基于PID的宽带自动电平控制系统设计

王 蒙

（中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东 青岛 266555）

0 引言

自动电平控制（ALC）技术已广泛应用于通信发射机、微波信号发生器、矢量网络分析仪等测量仪器[1]，在微波信号发生器中，ALC是实现功率准确度和功率分辨率指标的关键。因信号源本身受外界干扰及电子元器件的不稳定、特性不理想等原因，使得信号源难以输出幅度平稳的信号，并且有时需要根据实际情况对信号幅度进行设置，这时就要采用ALC技术来对输出信号的功率进行控制[2]。

本文所提出的基于PID的自动电平控制方法，采用PID控制器对ALC环路上的衰减器进行控制，在一定范围内实现对射频输出信号幅度的自动调节，精确的控制射频输出信号幅度，使得射频输出信号的幅度更加平稳。

1 宽带微波发生器中的ALC系统

1.1 开环式ALC系统

一种简单的开环式ALC控制系统如图1所示，它由射频放大器、电控衰减器、数模转换器（DAC）、放大器四部分组成。其中uref是参考电平信号，uc是电控衰减器的控制信号。

图1 开环式ALC系统原理图

这种开环式ALC系统的优点是结构简单，但是由于控制信号与输出射频信号之间没有反馈通路[3]，输出射频信号不能对控制信号uc产生影响，因而系统的鲁棒性较差。开环式ALC系统适用于输入射频信号稳定，对抗干扰要求不高的场合。

1.2 基于PID的闭环式ALC系统

如图2所示，基于PID的闭环式ALC控制系统由射频放大器、电控衰减器、二极管检波器、双斜率对数放大器、DAC、PID控制器、放大器组成。 其中udet是检波电平信号，ulog是双斜率对数大器输出的电平信号，uref是参考电平信号，e是误差信号，uc1是PID控制器的输出信号，uc是uc1通过放大器产生的控制信号。

图2 基于PID的闭环式ALC系统原理图

当射频输入功率发生波动或存在扰动信号时，基于PID的闭环式ALC系统可以通过反馈回路，来实时调整输出信号的功率，使输出信号功率保持较高准确度[4]，有效抑制射频输入功率波动和扰动信号对输出信号功率的影响，提高了系统的抗干扰性[5]。

2 基于PID的自动电平控制器设计

在基于PID的闭环式ALC系统中，利用二极管检波器把交流射频输出信号转换为直流信号udet（udet＜0），再利用双斜率对数放大器，把udet转换成的与交流射频输出信号的功率成正比的直流信号 ulog（ulog＜0），这样交流输出信号就引入到负反馈通路上。若通过主控程序设置 DAC输出的参考电平信号为 uref（uref＞0），则误差e为：

根据图2设计 PID控制器，则 uc1为：

其中为Kp比例增益，Ti为积分时间，Td为微分时间。

当误差信号e不为零时，PID控制器有电流流过，uc1和uc的值发生改变，在的作用下，电控衰减器的衰减量进行调整，进而改变射频输出信号的功率，直至误差信号e为零，此时PID控制器没有电流流过，系统达到稳定状态[5]，射频输出信号的功率为动态范围内指定的功率。

3 结果与分析

将基于PID的闭环式ALC系统应用于微波信号发生器中，相关的典型技术指标如下：

（1）频率范围：24.25GHz-30GHz

（2）稳幅功率范围：-30dBm～0dBm

（3）功率准确度：±0.6dB

（4）功率分辨率：0.05dB

用微波功率计对微波信号发生器输出的功率进行测量，得到的结果如图3所示，可以看出，经基于PID的ALC系统稳幅后，微波信号发生器输出0dBm功率时的平坦度为±0.2dBm。

图3 功率平坦度测量曲线

4 结论

本文提出的基于PID的自动电平控制方法，实现了射频输出信号的功率对给定值的自动跟踪，提高了输出信号的功率平坦度，并有效抑制扰动信号对输出信号的影响，使微波信号发生器具有较强的鲁棒性。