新型數(shù)字控制射頻衰減器的設(shè)計(jì)

1、引言 TBH522發(fā)射機(jī)是北京北廣科技有限公司生產(chǎn)的150千瓦短波廣播發(fā)射機(jī)，其高頻系統(tǒng)由頻率合成器、高頻衰減器、寬帶放大器、高前級(jí)、高末級(jí)、屏級(jí)網(wǎng)絡(luò)、VHF濾波器、平衡轉(zhuǎn)換器和天饋系統(tǒng)構(gòu)成。 該高頻衰減器有0—20dB衰減控制量，功能有有人工控制或自動(dòng)控制，其主要作用是發(fā)射機(jī)在進(jìn)行細(xì)調(diào)時(shí)，高頻衰減器輸出一個(gè)大小合適的激勵(lì)信號(hào)使機(jī)器不過荷，自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)又能正確判斷調(diào)諧狀態(tài)。細(xì)調(diào)完成后進(jìn)行激勵(lì)電平設(shè)置時(shí)，高頻衰減器再次調(diào)整輸出激勵(lì)電平，使得激勵(lì)信號(hào)經(jīng)寬放和高前級(jí)放大，讓高末級(jí)獲得合適輸入電平，高末級(jí)處于弱過壓狀態(tài)，輸出達(dá)到額定功率。此高頻衰減器為全分離元件電路、沒有保護(hù)功能、調(diào)整困難、可靠性較差。我們?cè)谧鲎詣?dòng)化設(shè)計(jì)改造時(shí)，發(fā)現(xiàn)該衰減器在發(fā)射機(jī)工作的頻段內(nèi)取樣線性度較差,衰減器衰減控制能力弱。發(fā)射機(jī)自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)在進(jìn)行細(xì)調(diào)時(shí)，衰減器輸出的激勵(lì)信號(hào)在有些頻段合適，有些頻段衰減器輸出的激勵(lì)信號(hào)過小或過大。激勵(lì)電平過大時(shí)高末屏流、簾柵流過大，機(jī)器出現(xiàn)過荷。當(dāng)高前調(diào)諧激勵(lì)過小時(shí)，進(jìn)入高末調(diào)諧時(shí)，高末簾柵流也過小，這樣取自高末簾柵電流用來控制高末激勵(lì)電平的直流電壓過低，甚至為零。于是到激勵(lì)電平調(diào)整時(shí)，高頻衰減器的衰減量會(huì)突然為零，使激勵(lì)信號(hào)過大，機(jī)器出現(xiàn)過荷。從而導(dǎo)致自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)調(diào)諧失敗或?qū)е赂黝l段的輸出功率不一致。為保證自動(dòng)調(diào)諧的穩(wěn)定性，我們從新設(shè)計(jì)了一種電路較簡單、調(diào)整方便具有保護(hù)功能的數(shù)字控制射頻衰減器。 2、設(shè)計(jì)方案 總體思路：采用CPLD（高級(jí)門陣列可編程控制器）和單片機(jī)相結(jié)合做邏輯控制和數(shù)字控制，從3M到26M以100K為一步將最佳的狀態(tài)存入單片機(jī)作為自動(dòng)控制依據(jù)。單片機(jī)輸出控制信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后控制PIN二極管偏置作為射頻衰減的控制量，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出激勵(lì)的精確控制。 (1)將開關(guān)量輸入輸出信號(hào)經(jīng)過光藕隔離后直接進(jìn)入CPLD（高級(jí)門陣列可編程控制器），進(jìn)行編程控制，簡化線路、方便調(diào)整控制邏輯。 (2)單片機(jī)取樣采集模擬信號(hào)、輸出面板顯示數(shù)據(jù)、接收面板操作按鈕指令和CPLD信號(hào)，經(jīng)邏輯判斷后輸出控制激勵(lì)大小的控制信號(hào)。單片機(jī)還提供串口通信和上位機(jī)進(jìn)行通信，通過上位機(jī)軟件對(duì)衰減器的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、修改、存儲(chǔ)，提供良好的人機(jī)界面 3、方案實(shí)現(xiàn) 3.1系統(tǒng)構(gòu)成 本系統(tǒng)采用高級(jí)門陣列可編程控制器CPLD-XC95144XL/TQ100和16位超低功耗單片機(jī)M430F1611作為核心控制。 CPLD-XC95144XL主要輸入： 開關(guān)量輸入部分主要有：手動(dòng)/自動(dòng)、過荷封鎖、細(xì)調(diào)狀態(tài)/調(diào)諧完成狀態(tài)、粗調(diào)封鎖、播音狀態(tài)、高簾二檔，手動(dòng)衰減量（脈沖電位器A信號(hào)和B信號(hào)） 時(shí)鐘：10M（頻率計(jì)數(shù)用）、取樣激勵(lì)信號(hào)（頻率計(jì)數(shù)用） 開關(guān)量輸出信號(hào)：開關(guān)量輸入狀態(tài)指示燈（16路）、衰減器封鎖控制、衰減器調(diào)整完成擴(kuò)展40路數(shù)字信號(hào)輸入/輸出。 單片機(jī)M430F1611主要信號(hào)： 8位對(duì)CPLD的讀寫控制信號(hào)，8位對(duì)CPLD的地址信號(hào)；8位輸出顯示面板所數(shù)字信號(hào)，5位去顯示面板地址片選信號(hào)；RS232/RS485通信接口。 12位AD轉(zhuǎn)換模擬量輸入：高前屏流、高前激勵(lì)、高末激勵(lì)（高末簾柵流）、衰減器輸入激勵(lì)、衰減器輸出激勵(lì)； 12位DA轉(zhuǎn)換模擬量輸出：激勵(lì)控制。 3.2CPLD控制原理 3.2.1控制邏輯 射頻取樣和10M時(shí)鐘輸入CPLD時(shí)鐘引腳，對(duì)射頻取樣的頻率進(jìn)行頻率計(jì)數(shù)。輸入開關(guān)量，輸入CPLD進(jìn)行邏輯判斷，同時(shí)輸出點(diǎn)亮電路板上的發(fā)光二極管作輸入狀態(tài)指示，方便故障查找。有過荷封鎖和粗調(diào)信號(hào)時(shí)，輸出開關(guān)量信號(hào)“衰減器封鎖控制”直接快速封鎖衰減輸出。單片機(jī)對(duì)衰減器輸出調(diào)整完成后，CPLD輸出開關(guān)量信號(hào)“衰減器調(diào)整完成”信號(hào)。在手動(dòng)衰減控制時(shí)，CPLD對(duì)脈沖電位器的A信號(hào)（脈沖）和B信號(hào)（脈沖）進(jìn)行計(jì)數(shù)，獲得手動(dòng)衰減增量或減量的控制信息，并傳給單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)CPLD的讀控制，CPLD輸出數(shù)據(jù)到單片機(jī)，單片機(jī)獲得頻率計(jì)數(shù)信息、輸入開關(guān)量信息、手動(dòng)衰減增量或減量的控制信息。單片機(jī)對(duì)CPLD的寫控制，單片機(jī)輸出數(shù)據(jù)到CPLD，CPLD獲得單片機(jī)衰減控制信息。 3.2.2CPLD接口電路 XC95144XL是低功耗芯片，工作電壓為3.3V，無法正常接受TTL電平，因此所有輸入信號(hào)均做電平轉(zhuǎn)換處理，開關(guān)量輸入是通過光藕實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和對(duì)輸入信號(hào)的隔離。開關(guān)量輸出也是通過光藕實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和對(duì)輸出信號(hào)的隔離。 3.3單片機(jī)控制原理 3.3.1單片機(jī)控制流程 手動(dòng)控制：單片機(jī)將以當(dāng)前衰減器的衰減量進(jìn)行增量控制或減量控制。通過內(nèi)部12位DA轉(zhuǎn)換經(jīng)隔離放大，輸出相應(yīng)模擬量控制激勵(lì)輸出大小。 自動(dòng)控制：單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前頻率，從內(nèi)部獲取存儲(chǔ)的衰減量信息，調(diào)整衰減量輸出，調(diào)整時(shí)分細(xì)調(diào)狀態(tài)和調(diào)諧完成狀態(tài)。在細(xì)調(diào)狀態(tài)時(shí)，根據(jù)高前激勵(lì)設(shè)定值和監(jiān)測(cè)高前激勵(lì)大小，自動(dòng)控制激勵(lì)順序增加或減小，在做增加控制時(shí)監(jiān)測(cè)高前屏流，若高前屏流超過設(shè)定值時(shí)，即使高前激勵(lì)信號(hào)不夠，也不再增加激勵(lì)控制；細(xì)調(diào)完成后處于電平轉(zhuǎn)換狀態(tài)時(shí)，根據(jù)高末激勵(lì)信號(hào)設(shè)定值進(jìn)行控制，當(dāng)高末激勵(lì)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，鎖定激勵(lì)控制信息，同時(shí)發(fā)出衰減器調(diào)整完成信號(hào)，允許切換到準(zhǔn)備播音狀態(tài)。（注：在準(zhǔn)備播音狀態(tài)，激勵(lì)是鎖定的，若需更改激勵(lì)大小，可切換到手動(dòng)狀態(tài)，通過手動(dòng)控制衰減器，達(dá)到所需激勵(lì)大小時(shí)，切換到自動(dòng)狀態(tài)，準(zhǔn)備播音狀態(tài)由手動(dòng)切換到自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，激勵(lì)輸出大小鎖定手動(dòng)狀態(tài)的衰減控制信息）。 為防止激勵(lì)信號(hào)變化過大，激勵(lì)在控制時(shí)，都經(jīng)過延遲處理，由激勵(lì)為最小到最大時(shí)，激勵(lì)輸出控制在1秒內(nèi)緩慢增加。控制激勵(lì)增加或減小時(shí)，都按照這個(gè)時(shí)延處理，順序加或順序減。如果監(jiān)測(cè)到高前屏流超過1.5A，則快速降低激勵(lì)電平，使高前屏流不超過1.5A。 在監(jiān)測(cè)到過荷封鎖信號(hào)和粗調(diào)狀態(tài)時(shí)，封鎖激勵(lì)輸出。過荷封鎖信號(hào)解除后，再緩慢開通激勵(lì)到原來的設(shè)定值。 3.3.2單片機(jī)接口電路 M430F1611單片機(jī)屬于超低功耗芯片，工作電壓為3.3V，不能接受高于3.3V的信號(hào)，因此所有輸入信號(hào)均做電平轉(zhuǎn)換處理。單片機(jī)內(nèi)部采樣電壓等級(jí)是2.5V。對(duì)模擬量的取樣用LM353完成高阻取樣，通過3.3V供電的LM922進(jìn)行分配放大后將信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。AD轉(zhuǎn)換是通過單片機(jī)內(nèi)部自帶的12位AD轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換完成。DA轉(zhuǎn)換是通過單片機(jī)內(nèi)部自帶的12位DA轉(zhuǎn)換完成，電壓轉(zhuǎn)換等級(jí)是0-2.5V，此信號(hào)輸出后先經(jīng)過LM922隔離后送到LM353進(jìn)行放大，放大倍數(shù)是3倍，及最終輸出去控制激勵(lì)信號(hào)的電壓范圍是0-7.5V。實(shí)際控制電壓調(diào)整在0到6.8V范圍。 3.4射頻衰減控制原理 射頻衰減控制原理是用PNI管作為電調(diào)可控電阻。PIN二極管特點(diǎn)：PIN管的分布電容很小，管子的結(jié)構(gòu)是兩邊分別是重?fù)诫s的P型和N型半導(dǎo)體，形成兩個(gè)電極，中間插入一層本征半導(dǎo)體I，故為PIN管。本征半導(dǎo)體I層的電阻率很高，所以管子在零偏置時(shí)電阻較大，一般可達(dá)7--10KΩ。PIN管正偏置時(shí)，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其電阻與正向電流I的關(guān)系，可用經(jīng)驗(yàn)公式R≈k/I0.78來計(jì)算，I是管子的正向電流，以mA計(jì)；k是一個(gè)比例系數(shù)，它和I層電阻率及結(jié)面積有關(guān)，一般在20—50之間。典型情況下，當(dāng)偏流在0至幾毫安內(nèi)變化時(shí)，PIN管的電阻變化范圍約為10Ω—10KΩ。用PNI管作為電調(diào)可控電阻有很多優(yōu)點(diǎn)，首先它的結(jié)電容很小，通常是10-1pF的量級(jí)。結(jié)電容小，不僅工作頻率可大大提高，而且頻率特性好。其次，PIN管的等效阻抗可以看做是兩個(gè)結(jié)區(qū)的阻抗和I層電阻三者串聯(lián)。只要前兩者的數(shù)值小于I層電阻，那么PIN管的作用基本上就是一個(gè)與頻率無關(guān)的電阻，其阻值只決定于正向偏置電流。PIN管BT63主要參數(shù)：材料Si，外形封裝代碼180，功率5W，結(jié)電容1.5pF,正向微分電阻1.2歐姆。 輸入激勵(lì)取樣分別輸出到單片機(jī)作為輸入激勵(lì)大小的取樣和CPLD作頻率計(jì)數(shù)用以及提供給其他監(jiān)測(cè)輸出。 激勵(lì)控制信號(hào)，由單片機(jī)輸出經(jīng)放大隔離后電壓范圍是0-7V。 射頻封鎖時(shí)VD2截止為高阻，VD1和VD3導(dǎo)通，輸入射頻由VD1和C23到地，直流由VD1、VD3和R28到地；射頻衰減控制時(shí)VD1和VD3截止，VD2導(dǎo)通，VD2導(dǎo)通時(shí)的電阻率大小由激勵(lì)控制信號(hào)決定，輸入射頻經(jīng)VD2衰減后到V7放大輸出。(圖2) 數(shù)字控制衰減器系統(tǒng)測(cè)試： 信號(hào)輸入：頻率10MHz，電壓10dBm時(shí)。激勵(lì)控制信號(hào)小于0.556V時(shí)二極管VD2截止為高阻狀態(tài)，射頻信號(hào)輸出-10dB,其最大衰減量20dB。激勵(lì)控制信號(hào)為最大電壓6.5V時(shí)，射頻信號(hào)輸出13.5dB，其最小衰減量-3.5dB（放大3.5dB）。 4、調(diào)試 調(diào)試前先調(diào)整好各個(gè)模擬量信息，使面板上各表值指示和機(jī)器表值指示一致。面板上各表值指示是按照通道切換來顯示的，可通過TAB鍵切換各個(gè)路數(shù)的數(shù)據(jù)。各路數(shù)據(jù)分別為：1路---衰減量信息、2路---激勵(lì)輸入電平、3路---激勵(lì)輸出電平、4路---高前激勵(lì)、5路---高前屏流、6路---高末激勵(lì)。系統(tǒng)默認(rèn)在1路，在切換到其他路后，顯示20秒，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換回1路顯示。（注：2通道激勵(lì)輸入電平，3通道激勵(lì)輸出電平以1V顯示100為準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整） 5、數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 新衰減器在開始時(shí)，內(nèi)部沒有任何數(shù)據(jù)信息，使用前需先將相關(guān)頻段數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。 (1)將衰減器的手動(dòng)衰減器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到最小，使其衰減量最大。 (2)自動(dòng)調(diào)諧采用半自動(dòng)/預(yù)置狀態(tài)倒動(dòng)，使8路伺服粗調(diào)到位。 (3)合上高末。 (4)在確認(rèn)衰減器衰減量最大的前提下，將自動(dòng)調(diào)諧切換到手動(dòng)狀態(tài)，切換到前級(jí)細(xì)調(diào)狀態(tài)，調(diào)整衰減器手動(dòng)旋鈕，慢慢增加激勵(lì)，增加激勵(lì)時(shí)注意查看寬放電流和高前屏流，當(dāng)激勵(lì)合適時(shí)，采用手動(dòng)調(diào)諧方式將前級(jí)和末級(jí)調(diào)諧到位，切換到電平轉(zhuǎn)換狀態(tài)，再次調(diào)整衰減器手動(dòng)旋鈕，將衰減量調(diào)整到合適位置，按下SAVE按鈕，此時(shí)面板的數(shù)據(jù)顯示窗口將顯示S.AVE、SA.VE、SAV.E、SAVE.當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完成后，將恢復(fù)之前的顯示，此時(shí)將自動(dòng)調(diào)諧由手動(dòng)倒動(dòng)到自動(dòng)時(shí)，衰減量將保持不變，存儲(chǔ)完成。（注：在播音過程中，若發(fā)現(xiàn)衰減量調(diào)整不合適，可采用手動(dòng)方式調(diào)整衰減量，調(diào)整好后切換回自動(dòng)后，衰減量保持手動(dòng)調(diào)整時(shí)的衰減量信息。) 對(duì)頻點(diǎn)相近的頻率，衰減控制數(shù)據(jù)相差不大時(shí)，可直接通過通信軟件編輯衰減控制數(shù)據(jù)，然后下載到衰減器。 6、通信控制軟件 通信控制軟件通過串口232或485與衰減器進(jìn)行通信可獲取發(fā)射機(jī)的工作頻率(CPLD對(duì)頻率的監(jiān)測(cè)經(jīng)校正后，誤差不超過2Hz。）和衰減控制信息。在軟件中設(shè)定要連接的串口號(hào)，點(diǎn)擊“連接串口”就完成通信連接。點(diǎn)擊“分頻段上傳”或“上傳全頻段”，衰減器的控制數(shù)據(jù)將回傳顯示在“回傳數(shù)據(jù)”一欄。點(diǎn)擊“保存上傳數(shù)據(jù)”，回傳數(shù)據(jù)保存為記事本程序可編輯的TXT格式文件。用戶可用記事本程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行編輯。點(diǎn)擊“打開文件”，用戶可打開編輯好的衰減器數(shù)據(jù)。打開的數(shù)據(jù)顯示在“設(shè)定數(shù)據(jù)”一欄。點(diǎn)擊“下傳全頻段”或“分頻段下傳”即可將設(shè)定數(shù)據(jù)下載到衰減器。 單片機(jī)是12位的AD轉(zhuǎn)換和DA轉(zhuǎn)換，所以軟件的數(shù)據(jù)范圍是0到4095，而衰減器控制面板數(shù)據(jù)顯示范圍是0到409，其原由是將數(shù)據(jù)去個(gè)位后，只顯示千位、百位和十位。 7、應(yīng)用效果 數(shù)字控制衰減器由于采用CPLD和單片機(jī)向結(jié)合做控制，極大簡化電路。CPLD采用VHDL語言編程、單片機(jī)采用匯編語言編程對(duì)增加功能、修改控制邏輯十分方便快捷。由于采用通過手動(dòng)調(diào)整后的最佳狀態(tài)作為自動(dòng)控制衰減器的依據(jù)，解決了原衰減器在不同頻段取樣不線性的問題。數(shù)字控制衰減器其操作簡單、修改控制數(shù)據(jù)也很方便。封裝結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)U尺寸，后面只有4個(gè)插頭，更換維護(hù)快捷。在實(shí)際使用中，其手動(dòng)控制激勵(lì)靈活。自動(dòng)控制在各個(gè)頻點(diǎn)的激勵(lì)控制精確，且有防止激勵(lì)過大等保護(hù)邏輯功能。TBH522發(fā)射機(jī)應(yīng)用了這種新型數(shù)字控制射頻衰減器后，自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)諧的各個(gè)頻點(diǎn)狀態(tài)良好，發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定性得以極大的提高。