PSM发射机功率平滑变化的实现

王海斌

（ 国家新闻出版广电总局六五四台 ）

【摘要】 发射机的输出功率由末级管的屏压和屏流的大小决定，屏压和屏流的大小由功率模块导通的数量和时间决定，因为每块模块每次通、断的时间受PDM脉冲控制，每块模块导通或关断的时间并不相同，相同的只是通断的次数。换句话说，每次模块通断交替时，总有一块模块导通的时间小于其他模块的导通时间，时间的长短由当时音周大小变化的变化率决定。导通时间长，输出屏压的平均值就高，由于脉冲的占空因数是连续的，输出的屏压也就是连续的，对应的输出功率也是连续变化的，而输出负载是不变的，输出电流当然也是连续变化的。人为的升降功率时，脉冲的变化也是PDM形式的，所以，功率的变化也是连续的。【关键词】 PSM发射机 PDM脉冲 功率 连续变化

1．引言PSM发射机即脉冲阶梯调制式调幅广播发射机是我国近二十年更新改造后，现阶段使用的主要调幅发射机机型。该发射机的调制器采用脉冲阶梯的方式对载波进行幅度调制，即脉阶调制器把主整和调幅器合二为一并把主整电压化整为零，主整由48套低压整流器串联组成。每套整流器为三相全波整流电路，其输出电压分别受电子开关绝缘门双极晶体管(Insulated Gates Bipolar Transistor--简称IGBT)所控制。而这些电子开关又受控于直流控制信号和音频调制信号，从而使射频被调级获得载波点的直流屏压和高电平的音频调制电压。48级的屏压PSM开关, 每级输出电压700V, 载波时的射频被调级直流屏压用20级PSM开关，其合成电压为14000V,100%调幅的正峰电压为2×14000V,由40级PSM开关供电；所剩8级PSM开关是充当备份并兼作非对称梯调的。那么，每级PSM开关合上或拉开的瞬间，被调级直流屏压和屏流就有跳变，相应的会引起发射机输出功率的跳变，造成发射机工作不稳定，指标差等一系列问题，那么该型发射机是如何解决此问题的呢？ 2. 平滑变化功率的措施2.1 在调制器输出端设置低通滤波器，使PSM调制器所输出的脉冲阶梯式音频调制信号平滑化。以40个阶梯为极限而形成的调制级输出电压称为粗调幅电压，它包含较大的非线性失真，必须通过低通滤波器滤除主要的阶梯纹波才能使失真度合格。但因低音的中等以上调幅、中音和一部分高音的低调幅时的阶梯纹波主频都处于滤波器的通带之内难以滤除，再者，即使可滤阶梯纹波滤除后也将导致动态载波下浮。2.2 用PDM补偿（细调幅）抑制这种失真并避免载波下浮脉阶调制器所输出的阶梯形音频信号，由它的阶梯纹波导致失真或较大的失真，有的不能滤除；即使能滤除的，还会造成动态载波下浮。为了解决这个问题，需要针对阶梯形音频信号相对于无失真音频信号的误差分量，采用PDM(脉宽调制)脉冲加以补偿。考虑到PDM补偿脉冲的无用分量，即开关频率及其谐波分量，也要通过脉阶调制级输出端的低通滤波器滤除，所以PDM补偿脉冲的开关频率采用超音频。又考虑到：在相同开关频率下的补偿脉冲数随调制音频的升高而减少。为此，高音调制时的补偿脉冲开关频率需要随调制频率的升高而升高。PDM脉冲串同样通过制作粗调幅的48个开关级而产生。PDM补偿脉冲的幅度等于单级PSM开关的输出电压,PDM的脉冲宽度正比于误差电压的幅度。2.3 PDM脉冲的产生

图1 PDM补偿脉冲示意图

把顶底电压差为一个阶梯门限电压Ut的三角波信号uA重叠于音频和直流控制电压(UΩ+UDC)之上，如图1所示。这样，不论误差信号大小如何，都可能多合一级PSM开关，只不过误差电压小的地方，多合一级PSM开关的时间很短，因而形成很窄的PDM补偿脉冲；而在误差电压大的地方，多合一级PSM开关的时间较长，因而形成较宽的PDM补偿脉冲；直到误差电压趋近于一个阶梯的门限电压时，多合一级PSM开关的时间趋近于叠加三角波的一个周期，相应的占空因数k→1可以这样说，同本阶梯相邻的下一个阶梯的控制电压U，就是本阶梯形成PDM补偿信号的门限电平U1。它相对于每个确定的阶梯来说，是一个阶梯的控制电平，但以对地电压而论，则随所在阶梯的不同而变化，即图中所示的Un、Un+1、Un+2、......，它们每两个相邻电压之间的差值为Ut。因为每个三角波周期出现一个补偿脉冲，所以三角波的频率就是PDM补偿脉冲的开关频率，一般为70~120kHz。为什么重叠超音频三角波而不是其它波形的控制信号去制作PDM补偿呢?其原因在于：超音频三角波的上升和下降斜率分别保持一致，是线性而又陡峭的，这样才能保持制作PDM补偿脉冲的准性。图1是制作PDM补偿脉冲的示意图，由图可见，控制信号(UΩ+UDC)重叠上uA之后，经常超越PDM补偿脉冲的门限电平Ut，在每个三角波周期内，三角波都同门限电平相交于两点。三角波趋升的交点是PDM脉冲的上升沿；三角波趋降的交点是PDM脉冲的下降沿。在上升沿处多合一级PSM开关；在下降沿处拉开一级PSM开关。PDM脉冲占空因数的大小，取决于误差电压的大小，误差电压为0时，k=0；误差电压近似于l个阶梯的控制电压时，k→1。即使在载波情况下，48级PSM．开关也是按照PDM补偿脉冲的开关频率fc循环通断的。当调制级直流输出电压与射频被调级的额定直流屏压相符时，可以认为制作PDM补偿脉冲的误差电压为零。即使误差电压为零，由于任何时候拉和合的开关都不是同一个PSM开关级的，所以误差为零时也有拉、合开关的循环操作，只不过拉、合之间的占空因数为零，并不附加输出电压。PDM补偿脉冲的占空因数介乎0与1之间，这等效于可以合上小于一级的PSM开关，因此由调制级输出到被调级的直流屏压的可调量，并不局限于一级PSM开关的输出电压。换句话说，被调级的直流屏压并非步进式，而是可以均匀调节的。 3．实现功率平滑变化的具体电路分析3.1 三角波信号的产生三角波信号的频率就是PDM补偿脉冲的开关频率，频率愈高，补偿愈完善，但功率模块开关管损耗较大，为了统筹兼顾这两个方面，最常用的fc=70KHz。三角波发生器的电路如图2所示。它由双集成运放U8和U9以及压控振荡器集成块U7组成。来自U7的三角波信号经乘法器U6和10V基准电压相乘后输出，以便保证三角波信号的振幅正比于基准电压，正常运行中，基准电平为10V，则三角波峰峰值应为10V/49=204mv.U7的3号端输出的信号是三角波，经U6的输出称为z信号，它的振荡频率受控于U7的8号即"FMS"端的输入电压，基础频率取决于外接阻、容元件的数值。在图2中，8038B的外接元件和相应的基础频率分别为

U7的8号即FMS端是输入压控电压的，当它输入正电压时，实际频率比fd降低；反之，当它输入负电压时，实际频率比fd升高，无调制时，-15V电压经电位器R22和电阻R21输入到U8A反相端2号。其1号输出端经8.2KΩ降压电阻输入到U7“FMS”端的信号是正电压，它促使输出信号的频率降低。因此，调整电位器R22到适当值，可使输出信号的频率由90.9KHz降低为常用值70KHz。当用于补偿的三角波的频率确定时，补偿脉冲相对于各个音频阶梯的起始相角是随机的，很难保证一直处于最佳补偿状态。为此，在图2中，由Q1和U9组成一套白噪声发生器，其输出电压大约200mY。此电压经C16输入到U7的8号压控端。因为白噪声的频率是随机的，而且它的最大电压又很小，所以把它输入压控振荡器，可以在小范围内不规则地变化PDM补偿脉冲的开关频率，也就是不规则地变化补偿脉冲的起始相角。起始相角的随机变化，使补偿脉冲处于平均补偿的位置，这将有利于改善高音信号峰点的失真。以每伏7KHz的压控率而论，对200mV的变频范围大约1.4KH

图2 三角波发生器

3.2 对功率有影响的三种控制信号的合成三角波发生器输出的三角波信号Z，是控制PDM补偿脉冲的。它在输入到快速变换器器以前还需和U28Α输出的X信号（包括直流和音频信号，前者控制载波电平，后者控制调幅电压）及U9A输出的Y信号（是直流信号，它来自功率控制板，能控制整机输出功率的高、低和升、降）加以合成。这三路信号均能影响到功率的变化，此处由于篇幅所限，我们只讨论PDM补偿脉冲对功率的影响。合成电路见图3。首先合成的是X和Y信号。它们都输入到乘除运算器U29即AD538AD，其中，X信号输入到U29的10号即Vy端；Y信号输入到U29的2号即Vz端；剩下的一个电压输入端是U29的15号即Vx端，它与4号端相连，接10V电压。外接信号经U29按下式运算得输出电压为：

图3 三种控制信号的合成电路

上式Y/10中的是功率控制信号除以10以后得到的一个倍乘系数，+ΔE是Vn中附加的直流分量，它受控于U29的 9号端的可调直流电压。因此，由U29的8号输出的电压Vn就是直流和音频控制信号之和同有关整机输出功率高、低、升、降的系数相乘的结果，这个乘积中的直流分量也受U29的9号端直流电压的影响。号U29的1号端的输入信号是可调的，它用于抑制二次谐波失真。U29的V0端的信号分两路输出，一路直接输入到集成运放U30的同相端3号。和同相端3号相连的还有比较器U3B的反相端6号，其同相端5号的输入电压是快速变换器基准电压的47/48。这个电压是音频和直流电压的极限值，超过极限值就标志最终在被调级调幅峰点将出现削波平头现象。三角波信号Z，经过隔直流电容器C60和10KΩ可调电位器R81引取峰峰值约2V，再经过100KΩ降压电阻输入到U30的反相端2号。由U30组成的差分放大器，把两路输入信号综合成一路信号从6号端输出。它是输入的音频和直流控制信号与反相位三角波相加而形成的复合信号，它从端子P2-26输入到快速变换器，如图4示意图所示。快速变换器是由48个比较器及输出端的48个非门和48个D触发器组成的模／数转换器。其中的比较器以4个为一组共计l2组，每组是一个集成块，其型号为LM339N。这些比较器是最简单的单限电压比较器，这里用做模／数转换的核心器件。非门和D触发器是

图4 图6—5快速变换器示意图

数字信号加工与合成的器件。6个非门分为一组共计8组，每组非门是一个集成块，其型号是74HCl4。每组非门的六端输出分别输入到一个六D触发器74HCl74N。 48个比较器的输入信号有两路。第一路是来自图5-6输出端P1-12和P1-14引入的基准电压10V。这个直流电压用49个电阻20Ω等差划分为49级，每级级差电压为10V/49=204mv,分别输入到48个比较器的同相输入端作为门限电位Em.第二路是直流、音频和三角波的复合信号，经端子P2-26引入并以10KΩ电阻为主要负载。这个综合控制信号经等值电阻(210Ω)并行输入到48比较器的反相输入端。通过比较器比较的结果是：凡是复合信号大于门限电压的比较器，都输出低电平，经过对应的非门就转变为高电平。这样，与m(+)=1、m=0和m(-)=1相对应的输出高电平数当全部PSM开关均被利用时依次为48、24和0。实际上为了留有备份而又便于应用非对称梯调，与m(+)=1、m=0和m(-)=1相对应的常用高电平数依次为40、20和o；或高电平数依次为42、21和0。在非门以后的48路输出线输出48位(Bit)的数字化控制信号。这48位的数字化信号输入到8块74HCl74N六D触发器，并且按照统一的时钟频率(2．25MHz)定时输出。D触发器的特点是：当时钟信号由低电平跃变到高电平时，若输入端为高电平，则输出端也是高电平；反之，则相反。因此，D触发器输出的逻辑电平，和对应输入信号是一致的。从48个D触发器输出的信号经过48路等值内阻(10KΩ)并联输出，其输出总线经端子P1-32和-1KΩ/2KΩ电阻分压器，连接到循环调制器输入端的差分放大器的同相输入端。

图5 判别电路

由直流、音频和三角波合成的复合信号，经快速变换器再加工后而形成的A信号，它经端子P1-32和电阻分压器接到差分放大器U49的同相端。A信号反映要求合上多少级PSM开关。另一路输入信号称为Z信号，它是决定拉、合开关的48个J-K触发器及其相应的“与门”经分路电阻合成后的总输出，接到差分放大器U49的反相端。Z信号反映实际合上了多少级PSM开关。当要求多于实际时，六D触发器U44(74HC174N)的Y端输出高电平，它促使更多的PSM开关被合上。反之，当要求少于实际时，六D触发器的X端输出高电平，它促使一级或多级PSM开关被拉开。直到实际情况与外界要求相符时，拉、合PSM开关的操作才停止。图5中的六D触发器74HCl74N是改为—D触发器使用的。为此，端子3、4、6并联，11、13、14并联，2、5、7并联，10、12、15并联。在图5中，当A>Z时，差分放大器U49输出高电平、正电压，即U46的比较器反相端输入正电压并且高于同相端的电压，所以该比较器输出低电平，经U46的与非门后转变为高电平。此高电平输入到D触发器U44的4号端，时钟脉冲上升沿到来后，Y端输出高电平。当A<Z时，差分放大器U49输出低电平、负电压、即的比较器U47输入负电压。此负电压比反相端的固有负电压还要负，所以该比较器输出低电平，经U47的与非门转变为高电平。此高电平输入到U44的13号，时钟脉冲上升沿到来后，X端输出高电平。当A=Z时，U49的输出为0，则U45和U47的比较器都输出高电平，经相应与非门转变为低电平。它使—D触发器U44的两个输出端x和Y皆为低电平。X和Y信号作为拉闸和合闸信号，以时钟信号供给J、K移位寄存器。J、K移位寄存器的输出都是48路。它们分别接到48个J—K触发器的J、K输入端。通过J—K触发器传送并保持拉、合闸信号，用以使48个PSM开关实现拉与合。3.3 功率开关模块的电压、电流关系由于48个开关模块相对于电压来说是串联关系，PSM调制器的输出电压，即是48个PSM开关所输出的平均电压之和。相对于电流来说是并联关系，PSM调制器的输出电流，即是48个PSM开关所输出的平均电流之和。所以PSM调制器的输出功率既是48个PSM开关所输出的功率之和。 4．总结发射机的输出功率由末级管的屏压和屏流的大小决定，屏压和屏流的大小由功率模块导通的数量和时间决定，模块的通、断受音频信号的大小（调幅度的大小）控制，音频信号是模拟信号，是连续变化的，而模块的通、断在表面上看是跃变的，实际上合、拉一块模块之间的输出电压并不是跃变的，因为每块模块每次通、断的时间受PDM脉冲控制，每块模块导通或关断的时间并不相同，相同的只是通断的次数。换句话说，每次模块通断交替时，总有一块模块导通的时间小于其他模块的导通时间，时间的长短由当时音周大小变化的变化率决定。导通时间长，输出屏压的平均值就高，由于脉冲的占空因数是连续的，输出的屏压也就是连续的，对应的输出功率也是连续变化的，而输出负载是不变的，输出电流当然也是连续变化的。人为的升降功率时，脉冲的变化也是PDM形式的，所以，功率的变化也是连续的。