射頻功率放大器實(shí)時(shí)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)

作者Email: lz01j@163.com

廣播電視發(fā)射機(jī)是一個(gè)綜合的電子系統(tǒng)，它不僅包括無(wú)線發(fā)射視音頻通道，而且還包括通道的檢測(cè)和自動(dòng)控制電路，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，它除了必須保證無(wú)線通道的技術(shù)指標(biāo)處于正常范圍外，還必須設(shè)計(jì)先進(jìn)的取樣檢測(cè)和保護(hù)報(bào)警等電路，以確保發(fā)射機(jī)工作正常，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制。近年來(lái)，隨著大功率全固態(tài)電視發(fā)射機(jī)多路功率合成技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的廠家采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此單個(gè)功率放大器模塊是整個(gè)發(fā)射機(jī)的基本測(cè)單元，本文就著重討論單個(gè)模塊的檢測(cè)和控制電路，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)在線狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

一、工作原理

在功放模塊中，主要檢測(cè)和控制參數(shù)為電源電壓，各放大管的工作電流，輸出功率，反射功率，過(guò)溫度和過(guò)激勵(lì)保護(hù)等，圖1為實(shí)現(xiàn)上述檢測(cè)控制功能的方框圖，它由取樣放大電路，V/F變換，隔離電路，F(xiàn)/V變換，A/D轉(zhuǎn)換，AT89C51，顯示電路和輸出保護(hù)電路等組成。

1、隔離電路

在功放模塊中，由于大功率器件的應(yīng)用，往往單個(gè)模塊的輸出功率都比較大，因而對(duì)小信號(hào)存在較大的高頻干擾，如處理不好，就會(huì)影響后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路工作，從而導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，顯示數(shù)據(jù)跳動(dòng)的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)誤動(dòng)作。這里采用光電耦合器進(jìn)行隔離，由于光電耦合器具有體積小、使用壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、抗干擾性能強(qiáng)、無(wú)觸點(diǎn)且輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點(diǎn)，從而將模擬電路和數(shù)字電路完全隔離，保障系統(tǒng)在高電壓、大功率輻射環(huán)境下安全可靠地工作。

2、LM331頻率電壓轉(zhuǎn)換器

V/F變換和F/V變換采用集成塊LM331，LM331是美國(guó)NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器用。LM331采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0V電源電壓下都有極高的精度。同時(shí)它動(dòng)態(tài)范圍寬，可達(dá)100dB；線性度好，最大非線性失真小于0.01％，工作頻率低到0.1Hz時(shí)尚有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位；外接電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。　　

圖2是由LM331組成的電壓頻率變換電路，LM331內(nèi)部由輸入比較器、定時(shí)比較器、R－S觸發(fā)器、輸出驅(qū)動(dòng)、復(fù)零晶體管、能隙基準(zhǔn)電路和電流開(kāi)關(guān)等部分組成。輸出驅(qū)動(dòng)管采用集電極開(kāi)路形式，因而可以通過(guò)選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，以適配TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。
當(dāng)輸入端Vi＋輸入一正電壓時(shí)，輸入比較器輸出高電平，使R－S觸發(fā)器置位，輸出高電平，輸出驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通，輸出端f0為邏輯低電平，同時(shí)電源Vcc也通過(guò)電阻R2對(duì)電容C2充電。當(dāng)電容C2兩端充電電壓大于Vcc的2/3時(shí)，定時(shí)比較器輸出一高電平，使R－S觸發(fā)器復(fù)位，輸出低電平，輸出驅(qū)動(dòng)管截止，輸出端f0為邏輯高電平，同時(shí)，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，電容C2通過(guò)復(fù)零晶體管迅速放電；電子開(kāi)關(guān)使電容C3對(duì)電阻R3放電。當(dāng)電容C3放電電壓等于輸入電壓Vi時(shí)，輸入比較器再次輸出高電平，使R－S觸發(fā)器置位，如此反復(fù)循環(huán)，構(gòu)成自激振蕩。輸出脈沖頻率f0與輸入電壓Vi成正比，從而實(shí)現(xiàn)了電壓－頻率變換。其輸入電壓和輸出頻率的關(guān)系為：fo=(VinR4)/(2.09R3R2C2) 由式知電阻R2、R3、R4、和C2直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果f0，因此對(duì)元件的精度要有一定的要求，可根據(jù)轉(zhuǎn)換精度適當(dāng)選擇。電阻R1和電容C1組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，有利于提高轉(zhuǎn)換精度。

同樣，由LM331也可構(gòu)成頻率－電壓轉(zhuǎn)換電路。

3、數(shù)據(jù)處理電路

數(shù)據(jù)處理電路包括A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換ADC0809、 AT89C51單片機(jī)和顯示電路等組成。ADC0809是采用CMOS工藝制成的八位八通道單片A/D逐次逼近型轉(zhuǎn)換器，逐次逼近型轉(zhuǎn)換器包括1個(gè)比較器，1個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換控制器，1個(gè)逐次逼近寄存器(SAR)和1個(gè)邏輯控制單元，轉(zhuǎn)換中的逐次逼近是按對(duì)分原理由控制邏輯單元完成的，它原理簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)，不存在延遲問(wèn)題。AT89C51是一個(gè)高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)帶有4k字節(jié)的FLASH可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器，其指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容，因而可方便地應(yīng)用各種控制領(lǐng)域。在設(shè)計(jì)中，P0口作為數(shù)據(jù)口，P1口作為開(kāi)關(guān)量輸入輸出控制，P2作為顯示模塊和ADC0809的地址控制線，INT0端為鍵盤中斷輸入端，由此組成一個(gè)簡(jiǎn)單的單片機(jī)測(cè)量系統(tǒng)。

經(jīng)過(guò)LM331 F/V變換后的電壓信號(hào)，送入ADC0809進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，AT89C51單片機(jī)實(shí)時(shí)讀取數(shù)模轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)部軟件的計(jì)算后，把結(jié)果送到顯示屏顯示，顯示內(nèi)容主要為各功放管的電流，電源電壓，輸出功率和反射功率等。輸入的開(kāi)關(guān)量檢測(cè)信號(hào)經(jīng)光電隔離后直接送入AT89C51的P1口。顯示電路采用162字符點(diǎn)陣液晶顯示模塊，該顯示模塊具有內(nèi)置192種字符（57點(diǎn)字型），指示功能強(qiáng)，可組成各種輸入，顯示和移位方式等功能，且與MCS－51系列單片機(jī)接口簡(jiǎn)單，軟件編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

二、軟件設(shè)計(jì)

軟件基本結(jié)構(gòu)框圖3。主程序主要是循環(huán)采集模擬量和開(kāi)關(guān)量信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)類型進(jìn)行計(jì)算，所得值送到液晶屏顯示，同時(shí)根據(jù)控制要求，輸出控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)功放模塊的控制、報(bào)警和保護(hù)功能。

鍵盤中斷子程序主要用于查看顯示內(nèi)容，設(shè)置一些如報(bào)警參數(shù)和RS232通信波特率等。RS232通信目的是把單個(gè)功放模塊的數(shù)據(jù)傳送給整機(jī)的控制單元，由整機(jī)總控制模塊進(jìn)行處理和顯示，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和服務(wù)器連接。

三、結(jié)論

本文介紹的功放模塊檢測(cè)控制單元，由于存在于高功率和強(qiáng)磁場(chǎng)輻射的應(yīng)用場(chǎng)合，因此關(guān)鍵在于解決信號(hào)在采集和傳輸過(guò)程的高頻干擾和輸入輸出電路的隔離措施，同時(shí)對(duì)軟件的數(shù)字波也要求較高。