数字化增益自动控制系统
黄绍光
(国家广电总局501台)
摘要 文章对数字射频衰减器的组成、原理及使用方法进行了详细介绍。它可根据发射机不同的播音频率存储不同的衰减量，解决了原来衰减器所用频率只能有一个衰减量的缺点，为发射机稳定运行提供了保证。
关键词 数字化 自动增益 使用方法 优点 自动增益控制系统在发射机上俗称高频衰减器。短波发射机的高频衰减器处于射频通路的频率合成器和宽带放大器中间，其主要作用是为高末级提供一个稳定的射频激励信号，由于频率合成器对不同的频率输出激励不一致，由低频段到高频段输出逐渐减小，而宽带放大器对不同频率输入的射频激励信号要求也不一样，高前级做为高末级提供激励的最后一个输出点，若宽放输出到高前级的激励不稳定，高前鉴向器采样信号过大或过小，导致高前级难于完成自动调谐，所以高频衰减器在射频回来中起到自动控制激励的作用。 高频衰减器对稳定整个高周系统射频激励非常重要。原TBH522短波发射机的高频衰减器由高频衰减器和衰减控制器组成，全部电路由分离元件组成，采用二进制步进控制的方法来控制衰减量，通过改变共基级放大器输出电阻阻值的方法来改变放大量，元器件众多，故障率高，可靠性较差，并且射频信号不是平滑变化，而是步进变化，抖动剧烈。所有频率只能采用同一个设置值，激励调整只能针对中间频率，对短波发射机宽频带无法全部适应，为此重新设计了一套新型的数字控制射频衰减器，本高频衰减器在自动状态时通过封锁激励、激励调整、锁定激励3个工作状态来完成整个射频系统的激励调整。 1．衰减器的组成
1.1衰减器外观及实物图 衰减器外观尺寸为标准1U小盒结构，如图1所示，可以方便地安装在发射机面板上，更换也非常简单。
1.2衰减器的系统构成 系统采用高级门阵列可编程控制器CPLD-XC95144XL/TQ100及16位底功耗单片机M430F1611作为核心控制。设计16路开关量输入，8路开关量输出，6路模拟量输入，2路模拟量输出，40路数字信号输入/输出，可实现RS232/RS485通信。开关量输入部分主要是手动/自动切换、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。开关量输出：衰减器调整完成。模拟量输入：手动衰减量、高前屏流、高前激励、高末激励、输入激励、输出激励。模拟量输出：激励控制。系统框图如图2。 高级门阵列可编程控制器CPLD-XC95144XL-7/TQ100主要负责完成整个系统的逻辑控制，同时还以10M晶振为依据，完成频率计数，其精度达到1Hz。单片机MSP430F1611主要负责完成整个系统的顺序控制，通过A/D转换采样高前屏流、高前激励、高末激励（高末帘柵流）、衰减器输入激励、衰减器输出激励以及手动衰减量信息，根据不同的工作状态，通过D/A转换控制射频激励输出，完成相应衰减量的调整；同时通过RS232完成对人机接口单元的通信；并输出相应的信息到显示面板。 1、开关量输入/输出电路：CPLD-XC95144XL是低功耗芯片，工作电压为3.3V，无法正常接受TTL电平或高于3.3V的模拟量信息，因此所有输入/输出信号均做电平转换处理，开关量输入/输出是通过光电藕合器实现电平转换和对输入/输出信号的隔离。输出0/3.3V的电平信号去CPLD。如图3所示。 2、模拟采集电路：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。所有模拟量取样均用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。单片机内部采样电压等级是2.5V；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。见图4。 3、 射频衰减控制：射频衰减控制原理是采用PIN管BT63作为电调可控电阻。通过12位DA转换输出控制高频二极管BT63 的导通角，控制射频信号输入量，达到衰减控制。PIN二极管具有正向导通阻抗随偏置改变特性，通过调整PIN二极管的偏置电压。实现增益可调。PIN管在零偏置时电阻较大，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，其阻值只决定于正向偏置电流。图5为射频控制电路。VD1、VD2和VD3均为 BT63管。 ① 输出激励取样：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。 ②激励控制信号，由控制系统单片机输出，控制激励信号的大小，经放大隔离后电压范围是0-7V。 ③高频二极管BT63工作原理 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VD2随着激励控制信号的增大，VD2逐渐导通，当R28上的电压大于VD1、VD3的导通电压时，VD1和VD3截止，VD2导通，信号从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。
2．衰减器的使用方法: 衰减器的激励调整分手动控制和自动控制两种。
2.1手动衰减器激励的调整 主要是在新衰减器开始上机或发射机手动调谐时使用。新衰减器开始上机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。 具体方法是： （1）先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，输出信号幅度最小。 （2）解除封锁，开通激励信号，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； （3）当衰减量调整合适时，按下“SAVE”按钮，此时面板上将显示“S.AVE”、“SA.VE”、“SAV.E”、“SAVE”。进行衰减量数据存储。 （4）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。每隔100KHz频率存储一个数据，不同的频率可以提供不同的衰减量，解决了原TBH522短波发射机衰减器所用频率只能有一个衰减量的缺点，导致发射机有的频段激励过大，有的频段激励又偏小的问题； （5）存储的数据可以方便地通过通信接口传送到上位机进行存储、修改，也可以把上位机备份的数据下传到衰减器中；
2．2自动衰减器激励的调整 主要是单片机根据监测到射频信号，根据内部存储的衰减量信息（衰减量信息以100K为基准，从3M到26M存储，共分230段），调整衰减量输出，调整时分调谐状态和调谐完成状态： （1）在调谐过程中，高频衰减器解除封锁，并缓慢开通激励，同时在激励开通过程中就进入调整状态，此时激励的调整是为保证发射机调谐系统能进入正常细调状态，所以在整个调谐过程中高频衰减器根据当前末级栅流和内部存储的末级栅流信息为基准，自动控制激励大小，同时为防止激励推动过大时导至发射机出现过流过荷现象，在调谐过程中当监测到高前屏流和高末帘栅流达到内部存储的设定上限时，即使高前激励信号不够，也不再增加激励控制； （2）当调谐完成后进入功率控制状态后，高频衰减器根据当前末级帘栅流和内部存储的末级帘栅流信息为基准，自动控制激励大小，此过程的调整是为高末级稳定工作提供一个合适的激励的保障，因为高末级在输出功率不一致时，所需激励输出不一致，所以利用高末屏流和高末帘栅流的关系，监测高末帘栅流进而控制激励输出大小来为高末级提供一个良好的激励源，同时为防止激励推动过大时导致过流过荷现象，此过程当监测到高前屏流和高末栅流信息，当达到内部存储的设定上限时，即使末级栅流不够也不再做增大调整。 （3）当衰减器调整完成后，锁定激励输出，将不再做任何调整，发射机进入准备播音状态。同时为保证在播音过程中若末级激励不正确时，可将射频衰减器设置到手动状态，通过旋转手动衰减器调整激励大小，当再次切回到自动状态后，系统内部将自动锁定手动状态调整时的输出激励。
2.3故障保护 工作过程中衰减器若监测到过流过荷、高压未合、粗调状态时，立即封锁射频输出： （1）过流过荷是为高周系统提供一个快速保护的机制，当系统监测到过流过荷时，立即封锁激励，当故障消除1秒后，缓慢开通激励，并恢复到初始值，防止激励突然增大时导致过流过荷现象； （2）高压未合时封锁激励是为防止操作人员不按操作流程工作，在未将发射机系统设置到粗调状态时短开高压的一种保护手段； （3）粗调封锁属于正常封锁，在粗调状态时，封锁发射机整机激励。
3．新型衰减器优点
（1）数字控制衰减器由于采用CPLD和单片机相结合做控制，极大简化电路。 （2）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。 （3）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率状态良好，发射机的稳定性得以极大的提高。 （4）衰减器的输出回路与后级的宽放耦合非常好，明显可以感觉到在短波全频段尤其是高频段宽放需要的激励大幅度减少，高频段时激励明显稳定。 （5）本系统集成了频率计数器功能，频率监测准确，发射机系统不用再单独使用频率计数器； （6）每隔100KHz频率存储一个数据，不同的频率可以提供不同的衰减量，解决了原来衰减器系统所用频率只能有一个衰减量的缺点，导致发射机有的频段激励过大，有的频段激励又偏小的问题； （7）存储的数据可以方便地通过通信接口传送到上位机进行存储、修改，也可以把上位机备份的数据下传到衰减器中； （8）保留了原来衰减器的自动和手动控制功能，在手动状态时可以通过衰减器面板上旋钮增减激励，在调整发射机状态和处理故障时提供了手动调整的手段。通过手动调整后如果感觉激励合适、发射机状态良好，可以把此时的衰减量存储到衰减器中，当使用自动控制功能时，衰减器就可以根据存储的数据自动控制激励的大小，把激励设置到最合适的大小； （9）小盒面板上提供了关键数据的指示，可通过TAB键切换各个通道的显示。各通道分别是（1）：衰减量信息；（2）：激励输入电平；（3）：激励输出电平；（4）：手动衰减器信息；（5）：高前激励；（6）：高前屏流；（7）：高末帘栅流。可以方便地观察关键的数据，有利于处理故障； （10）本衰减器大大增强了保护功能，除了保留原来的高限和低限功能外，还增加了以下保护功能：①衰减器进行增大激励的控制时，对高前屏流进行监测，若高前屏流超过设定值（设定为1.5A）时，即使高前激励信号不够，也不再增加激励，避免了由于发射机失谐等原因而激励又过大导致过荷等故障；②为防止激励信号变化剧烈，激励在控制时，都经过延迟处理，激励在控制增加或减小时，都按照一定得时延处理，顺序加或顺序减。所以在使用时可以看到，发射机激励是平滑增加或下降的，有明显的变化过程。 4．结速语 新的数字控制射频衰减器自2010年4月开始使以来，工作稳定可靠，运行中未出现任何故障，由于激励不稳导致的故障大幅减少，并且可根据发射机不同的播音频率存储不同的衰减量，解决了原来衰减器系统所用频率只能有一个衰减量的缺点，采用小盒结构，更换方便，维护简单，为高末级提供了稳定的激励，保证发射机稳定运行，为安全传输发射工作创造了条件。
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