新型数字控制射频衰减器的设计

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。 (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。 3.2CPLD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。 3.2.2CPLD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。 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 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。 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。