射頻功率放大器實(shí)時(shí)檢測的實(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)，它不僅包括無線發(fā)射視音頻通道，而且還包括通道的檢測和自動(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)測和控制。近年來，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)的基本測單元，本文就著重討論單個(gè)模塊的檢測和控制電路，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)在線狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測。

一、工作原理

在功放模塊中，主要檢測和控制參數(shù)為電源電壓，各放大管的工作電流，輸出功率，反射功率，過溫度和過激勵(lì)保護(hù)等，圖1為實(shí)現(xiàn)上述檢測控制功能的方框圖，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，因而對小信號存在較大的高頻干擾，如處理不好，就會(huì)影響后級模數(shù)轉(zhuǎn)換電路工作，從而導(dǎo)致檢測數(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、工作溫度范圍寬、抗干擾性能強(qiáng)、無觸點(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)電路和電流開關(guān)等部分組成。輸出驅(qū)動(dòng)管采用集電極開路形式，因而可以通過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也通過電阻R2對電容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通過復(fù)零晶體管迅速放電；電子開關(guān)使電容C3對電阻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分原理由控制邏輯單元完成的，它原理簡單，便于實(shí)現(xiàn)，不存在延遲問題。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)簡單的單片機(jī)測量系統(tǒng)。

經(jīng)過LM331 F/V變換后的電壓信號，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。輸入的開關(guān)量檢測信號經(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)接口簡單，軟件編程簡單等特點(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)采集模擬量和開關(guān)量信號，并根據(jù)信號類型進(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，以實(shí)現(xiàn)對功放模塊的控制、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控制單元，由于存在于高功率和強(qiáng)磁場輻射的應(yīng)用場合，因此關(guān)鍵在于解決信號在采集和傳輸過程的高頻干擾和輸入輸出電路的隔離措施，同時(shí)對軟件的數(shù)字波也要求較高。