数字鉴相器在发射机上的应用

郭颖

国家新闻出版广电总局2021台

 

摘要:TSW2500进口短波大功率发射机中使用了两套鉴相器,分别用于射频驱动级和射频末级的相位自动调谐控制。该鉴相器是双稳态触发型数字鉴相器,也称为数字鉴相/鉴频器或数字三态比较器,在本文中,详细的介绍了该数字鉴相器电路(PFD)的工作原理和数字鉴相器在TSW2500短波发射机上的实际应用

关键词:驱动级 射频末级 鉴相器电路(PFD) D 触发器

 

1  发射机数字鉴相器的工作原理

TSW2500瑞士进口大功率短波发射机中有两套数字鉴相器(A281A283),分别用于射频驱动级和射频末级的相位自动调谐控制。

数字鉴相器可分为边缘触发式和电平触发式两种,我们设备上目前使用的数字鉴相器为边缘触发式,其特点是结构简单、功耗低、面积小、集成度高,因而得到广泛应用。数字鉴相器是通过对输入信号的相位进行比较,输出脉宽与相位差对应的脉冲信号。其电路主要由两个D触发器组成,它们的输出加到或非门,或非门的输出与触发器的复位端相连(如图1)。这种鉴相器的主要优点是能够纠正相位和频率误差。下面我们详细分析信号在鉴相器A281中的处理过程。

鉴相器A281内部原理图

 图1鉴相器A281内部原理图

首先两路取样正弦模拟信号Ug、Ua经过取样电容分压滤波后送入鉴相器A281输入端X11和X12.两个信号在鉴相器A281中,先分别通过相同的–3.5dB固定衰减器进行信号的处理。固定衰减器中的信号处理流程见图2在限于篇幅,在图2中只给出了输入信号Ug的处理电路,对于输入信号Ua是完全相同的。现在我们详细分析一下信号在衰减网络中的处理过程。输入信号进入鉴相器后,经由R1、R2、R3组成的π网络射频功率衰减器对其进行衰减。射频功率衰减器要对信号功率进行准确衰减必须阻抗匹配,不然就会形成驻波或反射,影响测量准确度。对衰减器输入而言,输入阻抗要与信号源的输出阻抗匹配;对衰减器输出而言,输出阻抗要与负载阻抗匹配。由于射频功率衰减器一般不需要进行阻抗变换,所以,输入阻抗、输出阻抗、负载阻抗和信号源输出阻抗都相等。

由图2可计算出固定衰减量:

R1=固定衰减量1

R2=固定衰减量2

已知R2=250欧  R1=22欧;计算得 A=1.5,即衰减量为20 lgA=3.5dB。(R0为等效输入阻抗)

信号衰减网络

信号衰减网络

栅极输入信号Ug经衰减网络衰减3.5dB后,经二极管V2,V3组成双向限幅电路限幅后送给波形变换比较器A1, A1与R5,C34等组成过零电压比较器,将输入栅极正弦信号Ug整形为方波。比较器A1输出的方波信号进入由一个2D触发器组成的数字鉴相电路A3中进行比较。

经过衰减和整形后的两路信号到达鉴相器电路A3,如图1所示,它由两个D 触发器和一个或非门组成。它的输出端分别定义为Ug和Ua。当栅极的输出信号Ug 的相位超前屏级信号Ua 时,电路将产生一个Ug信号,这个控制信号将使得(电荷泵)CP 电路产生一个充电电流Iup。相反,如果Ua信号超前于Ug信号时,电路会产生一个Ua信号,CP 电路相应的会产生一个放电电流Idw。当Ug信号和Ua信号的相位一致时,由于与门延时复位的作用,PFD 电路会同时产生Ug和Ua信号。在理想情况下,这两个信号的脉宽相同且很窄。PFD 电路工作时可以处于下面四个状态中的一个:

Ug=0Ua=0

Ug=1Ua=0

Ug=1Ua=1

Ug=0Ua=1

但实际上第一种状态是不会出现的,因为一旦Ug=0Ua=0D触发器之间或非门就会输出逻辑“1”将D触发器复位,所以这个电路只有三个稳定状态。即每一个Ug的上升沿都会产生拉起一个Ug信号,保持高电平“1”,紧接着每一个Ua的上升沿都会产生拉起一个Ua 信号,保持高电平“1”;直至Ug=0Ua=0D触发器之间或非门就会输出逻辑“1”将D触发器复位,输出波形如图3

 鉴相器输出波形

图3 鉴相器输出波形

2D触发器A3输出信号经过R41C81C42C82组成的一阶RC低通滤波器(fg<72kHz)滤波后(图4),送至R45C63A4R43组成的模拟减法器电路,在此电路中,两个信号相减:Uphi=UgUa,在输出端可得到一个与相位调制成比例的音频信号PMAC和绝对相位信息PHIDC(直流)。PHIDC这个信号在随后一级中再次被滤波(fg=<3.4Hz),然后再放大至40mV/deg我们自动调谐主要根据PHIDC的值来进行调谐。

 滤波处理4滤波处理

2. 数字鉴相器在TSW2500短波发射机上的应用

射频驱动级的鉴相器电路A281是比较高前级电子管V1屏极回路射频电压与宽放输出射频信号之间的相位差PHI1;射频末级的鉴相器电路A283是比较高前级电子管V1屏极回路射频电压与电子管V2屏极回路射频电压之间的相位差PHI2。(如图5

鉴相器相位

鉴相器相位

发射机调谐过程分两个步骤执行:粗调和细调。

粗调是通过将各马达调整到工作频率的预置调谐位置的过程。

细调是发射机在“ON”状态下,根据相位、载波频率和负载阻抗的变化,将部分马达的位置在预置调谐位置的基础上作一些调整,使发射机工作在最佳调谐状态。

TSW2500型发射机细调分为射频驱动级的细调和射频末级的细调。射频驱动级的细调是:鉴相器A281实时检测射频驱动级的输入和输出信号,并对它们的相位进行比较,把相位误差信号PHI1传回发射机控制系统,控制系统根据误差信号PHI1来调整MP2MP4的位置;射频末级的细调是:鉴相器A283实时检测射频末级的输入和输出信号,并对它们的相位进行比较,把相位误差信号PHI2传回发射机控制系统,控制系统对相位误差信号PHI2和从定向耦合器传回的输出功率信号进行综合评估,然后调整MP10 MP11的位置。

 

2.1  射频驱动级

射频驱动级为射频末级电子管提供激励功率。它包含驱动级高前电子管CTK12-1和驱动级匹配网络。驱动级电子管是一个三极真空管,它工作无栅偏压状态——栅极直接接地。驱动级匹配网络是一个并联谐振电路,由可调电容C102和可调电感L102组成。它的电容和电感可由一个马达同时调节。两个可变元件(C102 / L102)的粗调是由发射机控制系统执行的.如图6

RF驱动级示意图

 图6 RF驱动级示意图

2.2   射频末级

射频末级主要由末级输入匹配网络、高末级电子管TH576、屏级中和电路组成。高末级电子管由射频驱动级激励,并提供发射机的输出功率。射频末级使用一只TH576型超蒸水冷陶瓷四极管,采用阴地线路,阴极直接接地,工作在丙类状态。射频末级的功率输入匹配网络由一节Π网络组成,输入可调电容和可调电感分别是C133L133,输出电容则是TH576的栅阴极间电容;两个可变元件(C133 / L133)的粗调是由发射机控制系统执行的,自动细调系统是在考虑控制栅极电流的基础上进行的;中和电路采用Π中和,减小放大器的反馈作用,中和电容C140MP3)接在阳极耦合电容后面和输入匹配网络输入端之间,这种中和方式在高频上仍然有很好的调节作用。如图7

射频末级示意图

射频末级示意图

2.3    发射机相位调谐的工作原理

如图5、图6所示,由L102/C102组成的射频驱动级匹配网络是一个并联谐振电路,为宽放和射频驱动级提供阻抗匹配,在发射机正调谐时,为了使信号的传输发射达到最佳状态时,相位差φ10°;驱动级电子管CTK12-1接成栅地线路,输入与输出同相位,相位差φ2也为0°。

鉴相器1相位差:   PHI1=φ1+φ2=0°

如图5、图7所示,射频驱动级与射频末级之间的输入匹配网络是由可调电感L133和可调电容C133及末级电子管TH576的栅极分布电容组成的π匹配网络,输入与输出相位差φ3=180°;射频末级电子管TH576工作在阴地线路,栅、阴之间相位差φ4=180°,

鉴相器2相位差: PHI1=φ3+φ4=180°+180°=360°

2.4  高前级鉴相器信号通路

高前级电子管V1屏极回路的射频电压取样信号由A263小盒分压电路获得,称为Ua信号,Ua经过A272低通滤波器滤波后送至鉴相器A281X12端口,准备与另一路信号进行比较。另一取样信号是由宽放输出的射频信号经A261双向耦合器后取样来的,称为UgUg信号经过A271低通滤波器滤波后也送至鉴相器A281X11端口,与Ua信号进行比较。由鉴相器A281输出的两个输出信号PHIDCPMAC最终送至发射机控制系统YCS07模拟信号取样处理板,再由这块板上进行信号处理,以使马达控制器根据它们来对射频电路进行调节。控制系统根据Ua信号和Ug信号的相位误差信号来调整MP2MP4的位置。

下图给出了在TSW2500进口发射机中实际应用的高前级鉴相器电路框图(图8)。

高前级鉴相原理

高前级鉴相原理

2.5高末级鉴相器信号通路

高末级电子管V2屏极回路的射频电压取样信号由A264小盒分压电路获得,称为Ua信号,Ua经过A274低通滤波器滤波后送至鉴相器A283X12端口,准备与另一路信号进行比较。另一取样信号是由高前级输出的射频信号经A263双向耦合器后取样来的,称为UgUg信号经过A273低通滤波器滤波后也送至鉴相器A283X11端口,与Ua信号进行比较。由鉴相器A283输出的两个输出信号PHIDCPMAC最终送至发射机控制系统YCS07模拟信号取样处理板,再由这块板上进行信号处理,以使马达控制器根据它们来对射频电路进行调节。鉴相器A283实时检测射频末级的输入和输出信号,并对它们的相位进行比较,把相位误差信号PHI2传回发射机控制系统,控制系统对相位误差信号PHI2和从定向耦合器传回的输出功率信号进行综合评估,然后调整MP10 MP11的位置。

下图给出了在TSW2500进口发射机中实际应用的高末级鉴相器电路框图(图9)。

高末级鉴相原理

高末级鉴相原理

以上是数字鉴相器电路(PFD)的工作原理介绍和该数字鉴相器在TSW2500短波发射机上的实际应用。对于我们日常检修维护工作和故障的应急处理有一定的参考和借鉴意义。

 

参考文献

1.黄智伟  《锁相环与频率合成器电路设计》 2008.10  

2.李瑞发  《鉴相器及其集成》  1994.06