雙通道微波密度濕度檢測(cè)儀信號(hào)源設(shè)計(jì)

作者簡(jiǎn)介：孫宏杰(1972—)，男，安徽蚌埠，工程師，工程碩士，研究方向：工業(yè)自動(dòng)化。

0   引言

煙支的密度和濕度分布是卷煙的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它直接影響煙支的重量、吸阻等指標(biāo)，并進(jìn)而影響抽吸過(guò)程的口感。對(duì)于卷煙企業(yè)來(lái)說(shuō)，進(jìn)一步優(yōu)化煙支中煙絲的密度和濕度分布，不僅可以提高香煙在卷制過(guò)程中的質(zhì)量水平，還有利于降低生產(chǎn)過(guò)程中的煙絲用量，因此如何更好地控制煙支的密度和濕度一直是煙廠最重視的問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)煙廠的超高速卷接機(jī)組都采用的雙通道模式，重量控制系統(tǒng)的傳感器為雙通道微波密度濕度檢測(cè)儀，其基本原理是在處理器的控制下，被測(cè)量的煙條通過(guò)圓柱形諧振腔時(shí)，因?yàn)槊恳欢螣煑l的密度和濕度都不一樣，使得電磁場(chǎng)的頻率和幅值都發(fā)生改變，然后被檢波電路測(cè)量出來(lái)，最后根據(jù)煙絲水分含量與電磁場(chǎng)參數(shù)變化之間的數(shù)學(xué)模型，得到每段煙條的密度和濕度，從而計(jì)算出重量并提供給重量控制系統(tǒng)，達(dá)到控制煙支重量的目的^[1]。

雙通道微波密度濕度檢測(cè)儀主要包括控制電路和微波電路兩個(gè)組成部分，控制電路部分設(shè)計(jì)采用DSP+CPLD 的方案，即數(shù)字電路以大規(guī)?？删幊唐骷橛布脚_(tái)，綜合集成整機(jī)控制、地址譯碼、時(shí)序管理、數(shù)據(jù)處理等功能；微波電路部分信號(hào)源的設(shè)計(jì)采用DDS+PLL 數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，鎖相環(huán)路由AD9852、VM950 等器件組成，利用AD9852 可高速切換頻率控制字的特點(diǎn)，得到微波跳頻信號(hào)，再經(jīng)功分器產(chǎn)生雙路微波調(diào)頻信號(hào)，最后經(jīng)放大穩(wěn)幅處理，輸出滿(mǎn)足要求的微波信號(hào)。

1   信號(hào)源設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的合成信號(hào)源設(shè)計(jì)是基于模擬分立元件的方法設(shè)計(jì)的。采用這種方法設(shè)計(jì)所需電路很多，體積比較大，調(diào)試復(fù)雜，可靠性差，相噪較高，控制的穩(wěn)定性有所欠缺。由于本產(chǎn)品是雙路輸出，如果按傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，還需要增加一套信號(hào)源電路。因此傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法無(wú)法滿(mǎn)足本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

雙通道微波密度濕度檢測(cè)儀采用基于DDS+PLL 的合成信號(hào)源設(shè)計(jì)方案，并且特別地采用對(duì)單路合成信號(hào)源進(jìn)行功分并只對(duì)其中一路信號(hào)源輸出進(jìn)行取樣穩(wěn)幅控制的方案。使用單路穩(wěn)幅的雙路輸出信號(hào)源設(shè)計(jì)是本產(chǎn)品設(shè)計(jì)低功耗和提高可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一。這里值得注意的是，要使單路穩(wěn)幅的雙路輸出信號(hào)源設(shè)計(jì)的方案達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這就必須要求兩個(gè)通道的圓柱形諧振腔特性要盡可能一致（如Q 值、諧振頻率等），實(shí)際加工腔體時(shí)使用加工中心一次裝夾加工成型，對(duì)外形尺寸精度以及諧振腔內(nèi)部光潔度有嚴(yán)格的要求^[2]，完全可以保證達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

基于單路穩(wěn)幅的雙路輸出信號(hào)源設(shè)計(jì)的原理如圖1所示。在硬件電路上主要由DDS 控制、鎖相環(huán)、穩(wěn)幅控制、雙通道信號(hào)源的功分實(shí)現(xiàn)及功率放大等電路構(gòu)成。鎖相環(huán)(PLL) 是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，由輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘、低通濾波器、鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、分頻器及直接數(shù)字合成(DDS) 構(gòu)成，它的好壞對(duì)整個(gè)電路的輸出有著直接影響，其中鑒相器的作用是將直接數(shù)字合成的輸出頻率和參考頻率進(jìn)行鑒相，環(huán)路濾波器的作用是濾除相位固定的鑒相器輸出信號(hào)的高頻分量，然后去控制壓控振蕩器的輸出，使其鎖定在需要的頻率上。本設(shè)計(jì)中，DDS 選用的是ADI 公司的AD9852，其內(nèi)部包括兩個(gè)12 位的D/A 轉(zhuǎn)化器，14 位可編程相位偏置寄存器，48 位的可編程頻率控制寄存器，系統(tǒng)的最高時(shí)鐘范圍可以達(dá)到300 MHz，DDS 通過(guò)單片機(jī)PIC16F877 控制其串行接口，并得到所需環(huán)路參考電壓以及頻率控制字；鑒相器選用Hittite 公司（編者注：已被ADI 收購(gòu)）生產(chǎn)的一款數(shù)字鑒頻鑒相器HMC439，其鑒頻鑒相頻率為10 ～ 1 300 MHz，具有超低的單邊帶調(diào)制相噪基底，由于是電壓型輸出，輸出頻帶相當(dāng)寬，所需的VCO 要求有很寬的調(diào)諧范圍（0 ～ 20 V），VCO 選用的ZCOM公司的VM950，輸出頻率范圍(4.9 ～ 6.5) GHz。

2   信號(hào)源的穩(wěn)幅控制

影響信號(hào)源幅度變化的因素很多，包括負(fù)載、電源、環(huán)境等的變化，而信號(hào)源輸出幅度的不穩(wěn)定，又直接會(huì)使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，所以一般微波信號(hào)源都采用負(fù)反饋控制環(huán)路來(lái)穩(wěn)幅。在穩(wěn)幅電路的負(fù)反饋控制環(huán)路中，壓控衰減器接收微波信號(hào)輸入，經(jīng)射頻放大電路后，由耦合器或功分電路將其中的一部分功率分配給檢波器，最后檢波電壓和參考電壓經(jīng)過(guò)求和積分運(yùn)算，形成調(diào)節(jié)壓控衰減器衰減量的控制電壓，使信號(hào)輸出功率恒定。

目前，雙通道微波信號(hào)源的設(shè)計(jì)，多數(shù)采用的方法是兩組獨(dú)立的電路，其優(yōu)點(diǎn)是兩路信號(hào)完全獨(dú)立，互相之間沒(méi)有干擾，缺點(diǎn)是使用器件數(shù)量增加，降低了可靠性，同時(shí)兩組器件參數(shù)的不一致也給兩路信號(hào)帶來(lái)差別，另外控制電路需要對(duì)兩路信號(hào)分別控制，也加大了處理器的負(fù)擔(dān)。

本設(shè)計(jì)采用單路信號(hào)通過(guò)功分器產(chǎn)生雙路信號(hào)，把電調(diào)衰減器放置在功分器之前，同時(shí)通過(guò)對(duì)其中一個(gè)通道的輸出采用耦合器取樣的方式進(jìn)行穩(wěn)幅檢波的穩(wěn)幅控制電路，如圖1 所示。電調(diào)衰減器負(fù)責(zé)接收前級(jí)輸出和經(jīng)檢波運(yùn)算輸出的兩路信號(hào)，并將幅度調(diào)節(jié)到預(yù)置范圍內(nèi)；功分器采用表面貼裝的小尺寸集成電路，負(fù)責(zé)將輸入信號(hào)分為兩路為輸出信號(hào)；功率放大分為前級(jí)放大和中功率放大，其作用一是用于補(bǔ)償前級(jí)的插入損耗，二是將輸出信號(hào)的功率放大到系統(tǒng)所需的范圍；低通濾波器采用7 階階躍阻抗，在印制板上通過(guò)微帶線(xiàn)繪制，用于濾除高頻噪聲；穩(wěn)幅檢波電路由定向耦合器和一對(duì)檢波二極管組成，分別負(fù)責(zé)對(duì)輸出信號(hào)和對(duì)地進(jìn)行檢波；積分求和運(yùn)算的信號(hào)輸入端分別連接檢波器的耦合檢波和對(duì)地檢波的輸出，并對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行積分求和，得到電調(diào)衰減器控制信號(hào)。為了保證輸出信號(hào)的穩(wěn)定，穩(wěn)幅采樣盡量的靠近了信號(hào)輸出端，同時(shí)為了減小環(huán)境溫度的變化對(duì)信號(hào)輸出的影響，在電路中增加了溫度補(bǔ)償。

此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了電路，減輕了處理器的工作量，增加了系統(tǒng)的可靠性；缺點(diǎn)是兩路信號(hào)之間的共用電路增多了，更加容易產(chǎn)生兩者之間的干擾^[3]。

單路穩(wěn)幅原理框圖如圖2a 所示，信號(hào)輸入進(jìn)入壓控衰減器后再進(jìn)行二功分，將單路信號(hào)變換為雙路信號(hào)，然后各自進(jìn)行功率放大，最后對(duì)其中一路進(jìn)行耦合采樣，經(jīng)比例、積分運(yùn)算后送入壓控衰減器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，起到穩(wěn)幅作用；雙路穩(wěn)幅原理框圖如圖2b 所示，信號(hào)輸入經(jīng)二功分變換為雙路信號(hào)，每路信號(hào)經(jīng)壓控衰減器后再進(jìn)行功率放大，最后分別對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行耦合采樣，經(jīng)比例、積分運(yùn)算后分別送入各自的壓控衰減器進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，起到穩(wěn)幅作用。

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為摸索單路穩(wěn)幅和雙路穩(wěn)幅對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，給系統(tǒng)采用單路或雙路穩(wěn)幅設(shè)計(jì)提供依據(jù)，對(duì)具有單路和雙路穩(wěn)幅功能的兩臺(tái)實(shí)驗(yàn)機(jī)在同一高低溫實(shí)驗(yàn)箱中，在不同的溫度和濕度條件下進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試，記錄反映穩(wěn)定性指標(biāo)的AC 和DC 值。首先設(shè)置高低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱溫度40℃，濕度35%，等到溫、濕度完全平衡，雙通道微波密度檢測(cè)儀實(shí)驗(yàn)機(jī)溫濕度完全穩(wěn)定并在此溫濕度條件下運(yùn)行3 h 后，利用測(cè)試軟件測(cè)量單、雙穩(wěn)幅雙通道微波密度檢測(cè)儀通道1 和通道2 的AC、DC 數(shù)據(jù)，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，折線(xiàn)圖見(jiàn)圖3。

實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的參考AC、DC 值分別為192 和361，從表1 測(cè)試數(shù)據(jù)看出，只有在高低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱的溫濕度由40℃，0% 變化到0℃，0% 階段，單穩(wěn)微波密度檢測(cè)儀通道2 的DC 較參考值變化較大，通過(guò)分析：?jiǎn)温贩€(wěn)幅微波密度檢測(cè)儀耦合采樣一路輸出信號(hào)來(lái)同時(shí)穩(wěn)定兩路輸出信號(hào)，需要兩路信號(hào)使用的元器件參數(shù)及布線(xiàn)一致性較高。在后續(xù)的改進(jìn)過(guò)程中，一是印制板的繪制，不僅要保證功分電路兩個(gè)輸出通道走線(xiàn)要嚴(yán)格的等長(zhǎng)，而且為防止它們之間出現(xiàn)相互串?dāng)_，還需加屏蔽進(jìn)行保護(hù)；二是兩個(gè)通道的諧振腔特性要盡可能一致（如Q 值、諧振頻率等），實(shí)際加工腔體時(shí)使用加工中心一次裝夾加工成型，對(duì)外形尺寸精度以及諧振腔內(nèi)部光潔度有嚴(yán)格的要求。

3   結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)采用的信號(hào)源技術(shù)方案，大大減少了電路體積，降低成本的同時(shí)還提高了整機(jī)可靠性。其產(chǎn)品已在實(shí)際中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用，性能指標(biāo)和可靠性完全滿(mǎn)足客戶(hù)需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林偉,楊健榮.一種雙通道微波密度濕度檢測(cè)儀的研制[J].電子質(zhì)量,2015(12):69-74.

[2] 張杰.微波密度傳感器諧振腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造工程,2009(4):108-110.

[3] 林偉,張紅兵,等.一種雙通道輸出微波信號(hào)源穩(wěn)幅控制裝置[P].北京:國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局,2014.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年2月期）