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新型数字控制射频衰减器的设计

2020-11-17 来源:好走旅游网
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新型数字控制射频衰减器的设计

作者:周韬

来源:《数字技术与应用》2012年第01期

摘要:该文介绍了通过CPLD和单片机向结合对射频衰减器进行数字控制的设计。采用这种方式设计的数字控制衰减器,具有保护功能、线路简单、操作方便等特点。且可根据用户的要求修改逻辑和保护功能,应用于其他发射机激励电平自动控制系统。 关键词:TBH522发射机 数字控制射频衰减器 CPLD 430单片机 PIN二极管 中图分类号:TN715 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2012)01-0018-03 1、引言

TBH522发射机是北京北广科技有限公司生产的150千瓦短波广播发射机,其高频系统由频率合成器、高频衰减器、宽带放大器、高前级、高末级、屏级网络、VHF滤波器、平衡转换器和天馈系统构成。

该高频衰减器有0—20dB衰减控制量,功能有有人工控制或自动控制,其主要作用是发射机在进行细调时,高频衰减器输出一个大小合适的激励信号使机器不过荷,自动调谐系统又能正确判断调谐状态。细调完成后进行激励电平设置时,高频衰减器再次调整输出激励电平,使得激励信号经宽放和高前级放大,让高末级获得合适输入电平,高末级处于弱过压状态,输出达到额定功率。此高频衰减器为全分离元件电路、没有保护功能、调整困难、可靠性较差。我们在做自动化设计改造时,发现该衰减器在发射机工作的频段内取样线性度较差,衰减器衰减控制能力弱。发射机自动调谐系统在进行细调时,衰减器输出的激励信号在有些频段合适,有些频段衰减器输出的激励信号过小或过大。激励电平过大时高末屏流、帘栅流过大,机器出现过荷。当高前调谐激励过小时,进入高末调谐时,高末帘栅流也过小,这样取自高末帘栅电流用来控制高末激励电平的直流电压过低,甚至为零。于是到激励电平调整时,高频衰减器的衰减量会突然为零,使激励信号过大,机器出现过荷。从而导致自动调谐系统调谐失败或导致各频段的输出功率不一致。为保证自动调谐的稳定性,我们从新设计了一种电路较简单、调整方便具有保护功能的数字控制射频衰减器。 2、设计方案

总体思路:采用CPLD(高级门阵列可编程控制器)和单片机相结合做逻辑控制和数字控制,从3M到26M以100K为一步将最佳的状态存入单片机作为自动控制依据。单片机输出控制信号经D/A转换后控制PIN二极管偏置作为射频衰减的控制量,实现对输出激励的精确控制。

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(1)将开关量输入输出信号经过光藕隔离后直接进入CPLD(高级门阵列可编程控制器),进行编程控制,简化线路、方便调整控制逻辑。

(2)单片机取样采集模拟信号、输出面板显示数据、接收面板操作按钮指令和CPLD信号,经逻辑判断后输出控制激励大小的控制信号。单片机还提供串口通信和上位机进行通信,通过上位机软件对衰减器的控制数据进行编辑、修改、存储,提供良好的人机界面 3、方案实现 3.1 系统构成

本系统采用高级门阵列可编程控制器CPLD-XC95144XL/TQ100和16位超低功耗单片机M430F1611作为核心控制。 CPLD-XC95144XL主要输入:

开关量输入部分主要有:手动/自动、过荷封锁、细调状态/调谐完成状态、粗调封锁、播音状态、高帘二档,手动衰减量(脉冲电位器A信号和B信号) 时钟:10M(频率计数用)、取样激励信号(频率计数用)

开关量输出信号:开关量输入状态指示灯(16路)、衰减器封锁控制、衰减器调整完成扩展40路数字信号输入/输出。 单片机M430F1611主要信号:

8位对CPLD的读写控制信号,8位对CPLD的地址信号;8位输出显示面板所数字信号,5位去显示面板地址片选信号;RS232/RS485通信接口。

12位AD转换模拟量输入:高前屏流、高前激励、高末激励(高末帘柵流)、衰减器输入激励、衰减器输出激励;

12位DA转换模拟量输出:激励控制。 3.2 CPLD 控制原理 3.2.1 控制逻辑

射频取样和10M时钟输入CPLD时钟引脚,对射频取样的频率进行频率计数。输入开关量,输入CPLD进行逻辑判断,同时输出点亮电路板上的发光二极管作输入状态指示,方便故障查找。有过荷封锁和粗调信号时,输出开关量信号“衰减器封锁控制”直接快速封锁衰减输

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出。单片机对衰减器输出调整完成后,CPLD输出开关量信号“衰减器调整完成”信号。在手动衰减控制时,CPLD对脉冲电位器的A信号(脉冲)和B信号(脉冲)进行计数,获得手动衰减增量或减量的控制信息,并传给单片机。单片机对CPLD的读控制,CPLD输出数据到单片机,单片机获得频率计数信息、输入开关量信息、手动衰减增量或减量的控制信息。单片机对CPLD的写控制,单片机输出数据到CPLD,CPLD获得单片机衰减控制信息。 3.2.2 CPLD接口电路

XC95144XL是低功耗芯片,工作电压为3.3V,无法正常接受TTL电平,因此所有输入信号均做电平转换处理,开关量输入是通过光藕实现电平转换和对输入信号的隔离。开关量输出也是通过光藕实现电平转换和对输出信号的隔离。 3.3 单片机控制原理 3.3.1 单片机控制流程

手动控制:单片机将以当前衰减器的衰减量进行增量控制或减量控制。通过内部12位DA转换经隔离放大,输出相应模拟量控制激励输出大小。

自动控制:单片机根据当前频率,从内部获取存储的衰减量信息,调整衰减量输出,调整时分细调状态和调谐完成状态。在细调状态时,根据高前激励设定值和监测高前激励大小,自动控制激励顺序增加或减小,在做增加控制时监测高前屏流,若高前屏流超过设定值时,即使高前激励信号不够,也不再增加激励控制;细调完成后处于电平转换状态时,根据高末激励信号设定值进行控制,当高末激励达到设定值时,锁定激励控制信息,同时发出衰减器调整完成信号,允许切换到准备播音状态。(注:在准备播音状态,激励是锁定的,若需更改激励大小,可切换到手动状态,通过手动控制衰减器,达到所需激励大小时,切换到自动状态,准备播音状态由手动切换到自动状态时,激励输出大小锁定手动状态的衰减控制信息)。 为防止激励信号变化过大,激励在控制时,都经过延迟处理,由激励为最小到最大时,激励输出控制在1秒内缓慢增加。控制激励增加或减小时,都按照这个时延处理,顺序加或顺序减。如果监测到高前屏流超过1.5A,则快速降低激励电平,使高前屏流不超过1.5A。 在监测到过荷封锁信号和粗调状态时,封锁激励输出。过荷封锁信号解除后,再缓慢开通激励到原来的设定值。 3.3.2 单片机接口电路

M430F1611单片机属于超低功耗芯片,工作电压为3.3V,不能接受高于3.3V的信号,因此所有输入信号均做电平转换处理。单片机内部采样电压等级是2.5V。对模拟量的取样用LM353完成高阻取样,通过3.3V供电的LM922进行分配放大后将信号送入单片机进行AD转换。AD转换是通过单片机内部自带的12位AD转换转换完成。DA转换是通过单片机内部自

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带的12位DA转换完成,电压转换等级是0-2.5V,此信号输出后先经过LM922隔离后送到LM353进行放大,放大倍数是3倍,及最终输出去控制激励信号的电压范围是0-7.5V。实际控制电压调整在0到6.8V范围。 3.4 射频衰减控制原理

射频衰减控制原理是用PNI管作为电调可控电阻。PIN二极管特点:PIN管的分布电容很小,管子的结构是两边分别是重掺杂的P型和N型半导体,形成两个电极,中间插入一层本征半导体I,故为PIN管。本征半导体I层的电阻率很高,所以管子在零偏置时 电阻较大,一般可达7--10KΩ。PIN管正偏置时,具有电导调制效应,其电阻与正向电流I的关系,可用经验公式R≈k/I0.78来计算,I是管子的正向电流,以mA计;k是一个比例系数,它和I层电阻率及结面积有关,一般在20—50之间。典型情况下,当偏流在0至几毫安内变化时,PIN管的电阻变化范围约为10Ω—10KΩ。用PNI管作为电调可控电阻有很多优点,首先它的结电容很小,通常是10-1pF的量级。结电容小,不仅工作频率可大大提高,而且频率特性好。其次,PIN管的等效阻抗可以看做是两个结区的阻抗和I层电阻三者串联。只要前两者的数值小于I层电阻,那么PIN管的作用基本上就是一个与频率无关的电阻,其阻值只决定于正向偏置电流。PIN管BT63主要参数:材料Si,外形封装代码180,功率5W,结电容1.5pF,正向微分电阻1.2欧姆。

图2为射频控制电路。

输入激励取样分别输出到单片机作为输入激励大小的取样和CPLD作频率计数用以及提供给其他监测输出。

激励控制信号,由单片机输出经放大隔离后电压范围是0-7V。

射频封锁时VD2截止为高阻,VD1和VD3导通,输入射频由VD1和C23到地,直流由VD1、VD3和R28到地;射频衰减控制时VD1和VD3截止,VD2导通,VD2导通时的电阻率大小由激励控制信号决定,输入射频经VD2衰减后到V7放大输出。(图2) 数字控制衰减器系统测试:

信号输入:频率10MHz,电压10dBm时。激励控制信号小于0.556V时二极管VD2截止为高阻状态,射频信号输出-10dB,其最大衰减量20dB。激励控制信号为最大电压6.5V时,射频信号输出13.5dB,其最小衰减量-3.5dB(放大3.5dB)。 4、调试

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调试前先调整好各个模拟量信息,使面板上各表值指示和机器表值指示一致。面板上各表值指示是按照通道切换来显示的,可通过TAB键切换各个路数的数据。各路数据分别为:1路---衰减量信息、2路---激励输入电平、3路---激励输出电平、4路---高前激励、5路---高前屏流、6路---高末激励。系统默认在1路,在切换到其他路后,显示20秒,系统会自动切换回1路显示。(注:2通道激励输入电平,3通道激励输出电平以1V显示100为准进行调整) 5、数据存储

新衰减器在开始时,内部没有任何数据信息,使用前需先将相关频段数据进行存储。 (1)将衰减器的手动衰减器逆时针旋转到最小,使其衰减量最大。 (2)自动调谐采用半自动/预置状态倒动,使8路伺服粗调到位。 (3)合上高末。

(4)在确认衰减器衰减量最大的前提下,将自动调谐切换到手动状态,切换到前级细调状态,调整衰减器手动旋钮,慢慢增加激励,增加激励时注意查看宽放电流和高前屏流,当激励合适时,采用手动调谐方式将前级和末级调谐到位,切换到电平转换状态,再次调整衰减器手动旋钮,将衰减量调整到合适位置,按下SAVE按钮,此时面板的数据显示窗口将显示S.AVE、SA.VE、SAV.E、SAVE.当数据存储完成后,将恢复之前的显示,此时将自动调谐由手动倒动到自动时,衰减量将保持不变,存储完成。(注:在播音过程中,若发现衰减量调整不合适,可采用手动方式调整衰减量,调整好后切换回自动后,衰减量保持手动调整时的衰减量信息。)

对频点相近的频率,衰减控制数据相差不大时,可直接通过通信软件编辑衰减控制数据,然后下载到衰减器。 6、通信控制软件

通信控制软件通过串口232或485与衰减器进行通信可获取发射机的工作频率(CPLD对频率的监测经校正后,误差不超过2Hz。)和衰减控制信息。在软件中设定要连接的串口号,点击“连接串口”就完成通信连接。点击“分频段上传”或“上传全频段”,衰减器的控制数据将回传显示在“回传数据”一栏。点击“保存上传数据”,回传数据保存为记事本程序可编辑的TXT格式文件。用户可用记事本程序对数据进行编辑。点击“打开文件”,用户可打开编辑好的衰减器数据。打开的数据显示在“设定数据”一栏。点击“下传全频段”或“分频段下传”即可将设定数据下载到衰减器。

单片机是12位的AD转换和DA转换,所以软件的数据范围是0到4095,而衰减器控制面板数据显示范围是0到409,其原由是将数据去个位后,只显示千位、百位和十位。

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7、应用效果

数字控制衰减器由于采用CPLD和单片机向结合做控制,极大简化电路。CPLD采用VHDL语言编程、单片机采用汇编语言编程对增加功能、修改控制逻辑十分方便快捷。由于采用通过手动调整后的最佳状态作为自动控制衰减器的依据,解决了原衰减器在不同频段取样不线性的问题。数字控制衰减器其操作简单、修改控制数据也很方便。封装结构为标准U尺寸,后面只有4个插头,更换维护快捷。在实际使用中,其手动控制激励灵活。自动控制在各个频点的激励控制精确,且有防止激励过大等保护逻辑功能。TBH522发射机应用了这种新型数字控制射频衰减器后,自动调谐系统进行自动调谐的各个频点状态良好,发射机的稳定性得以极大的提高。 参考文献

[1]北京北广科技有限公司生产的TBH522短波发射机图纸和说明书.

[2]《MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践》作者:沈建华,杨艳琴.出版社:北京航空航天大学出版社.

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