一種適用于甚低頻發(fā)射機的高精度采樣測量系統(tǒng)?

（中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)有限公司 北京 102209）

1 引言

在發(fā)射機換頻調(diào)機時，調(diào)諧回路如果不進行調(diào)諧補償，整個主回路就會出現(xiàn)較大電抗，發(fā)射機功放輸出端的電壓、電流必然會有相位差，產(chǎn)生無功功率，降低發(fā)射機的工作效率，阻抗嚴(yán)重失諧時甚至?xí)龤Оl(fā)射機。因此需要設(shè)計一種采樣測量系統(tǒng)對發(fā)射機的電壓、電流、相位等參數(shù)進行監(jiān)測。在發(fā)射機改變頻率，或者調(diào)諧回路器件參數(shù)發(fā)生變化時，指導(dǎo)調(diào)諧電路進行調(diào)諧，使得發(fā)射機的輸出回路處于阻抗匹配和諧振狀態(tài)。

常用的甚低頻鑒相系統(tǒng)一般都采用二極管平衡鑒相器。兩個輸入的正弦信號的和與差分別加于檢波二極管，檢波后的電位差即為鑒相器的輸入電壓。二極管平衡鑒相器需要二極管嚴(yán)格配對使用，稍有差異就會失去平衡；取樣信號的幅值需要嚴(yán)格控制。

適用于甚低頻發(fā)射機的高精度測量系統(tǒng)以AD637、AD8302和C8051F022為核心，可以對發(fā)射機的輸出電流、電壓，天線根部的電流、電壓進行快速準(zhǔn)確地測量，并根據(jù)這些參數(shù)得出發(fā)射機調(diào)諧回路的相位、阻抗、功率參數(shù)。該系統(tǒng)采用集成電路，相比傳統(tǒng)的甚低頻采樣測量系統(tǒng)，更加簡單可靠，自動化程度高，并且可根據(jù)發(fā)射機的情況靈活調(diào)整參數(shù)。

2 系統(tǒng)組成及功能

采樣測量系統(tǒng)主要包括：電壓電流采樣電路、電壓電流檢測電路、相位檢測電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換及算法電路。電壓電流采樣電路的功能是將發(fā)射機需要測量的主回路的大電流、高電壓通過電阻分壓和電流環(huán)采樣的方式轉(zhuǎn)換為小電流、低電壓信號。電壓電流檢測電相位檢測電路的功能是將采樣得到的小信號進行處理轉(zhuǎn)換為容易測量的直流信號。數(shù)模轉(zhuǎn)換及算法電路是將檢測電路得到的直流信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并根據(jù)相應(yīng)的計算公式，利用單片機進行數(shù)據(jù)處理，得到相應(yīng)的參數(shù)。高精度采樣測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 高精度采樣測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 電壓電流采樣電路

電壓取樣采用電阻分壓式取樣方式。假設(shè)發(fā)射機功放輸出端電壓Vmax=10kV，電流Imax=50A，取樣電壓最高值為Vs=5V。根據(jù)歐姆定律：

可以算得R2：R1≈2000：1，考慮到電阻功率參數(shù)，電阻R1取值5KΩ，R2取值10MΩ。

電流采樣使用LF510-S傳感器，該傳感器可以使用±15V電源供電，最大可以檢測500A電流。輸出阻抗負(fù)載52.8Ω，輸出電流最大±0.16A，輸入輸出比為5000：1。將主回路電纜在采樣器上繞5圈，使得輸入輸出比為1000：1。RM為測量電阻，采樣電流Is經(jīng)過RM，產(chǎn)生的電壓Vs為主回路電流的采樣電壓信號。

采樣器輸出的信號為電壓信號該信號與主回路電流符合下列方程：

RM符合下列方程：

其中Ns=1000，UC=15V，IP=50A，RS=52.8Ω，VS=5V，取RM=100Ω。

2.2 電壓電流檢測電路

電壓電流檢測電路以AD637芯片為核心。AD637是一種高精度、寬頻段的根有效值直流轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部主要包括電壓-電流絕對值轉(zhuǎn)換電路、平方/除法器、濾波/放大器、緩沖放大器、偏置電路等。輸入電壓Vin通過電壓-電流絕對值轉(zhuǎn)換器輸出電流I1，進入平方/除法器。平方/除法器的輸出電流I4，利用I4驅(qū)動濾波/放大器，并與引腳8、9之間的平均電容CAV構(gòu)成一個低通濾波器。如果濾波時間τ（τ=RCAV）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸入信號的周期，I4與I1符合下列方程：

得出的Vout就是輸入電壓Vin的真有效值。

電壓、電流檢測電路如圖2，采樣信號經(jīng)過變壓器T1進行電氣隔離，然后利用R1進行阻抗匹配。經(jīng)過LC低通濾波電路進行濾波，進入電壓跟隨器，輸出信號Ain。在AD637的13引腳前增加電容，除掉輸入信號上的直流分量。在8引腳上設(shè)置平均電容C12，容量要大，以減少電壓紋波產(chǎn)生的測量誤差。

電壓、電流采樣后的信號經(jīng)過AD637后得到兩路直流電壓信號。通過對這兩個電壓的監(jiān)測，便可得知此時主回路的電壓、電流情況。

2.3 相位檢測電路

采樣信號經(jīng)過變壓器T進行電氣隔離，然后進行阻抗匹配、濾波后，進入電壓跟隨器，輸出信號Ain，D4、D5為限幅電路，輸出為0.7V方波。相位檢測電路的具體形式如圖3。

相位電壓檢測電路的核心是AD8302芯片，該芯片專門為RF/IF幅度和相位測量而設(shè)計，可測量從低頻到2.7GHz頻率范圍內(nèi)的量輸入信號之間的相位差，測量范圍可達180°。在低頻段相位測量方程為

其中VA和VB為兩路信號的幅度，φ（VA）和φ（VB）為A、B兩路信號的相位，VPHS為相位差電壓，輸出精度為 10mV/°。RFIΦ代表斜率為 10mV/°，中心點位（VCP）900mV對應(yīng)相位90°，0°～180°對應(yīng)1800mV～0V。相位差信號VPHS經(jīng)過放大器放大2.5倍后輸出。

另外A、B兩路信號經(jīng)過放大送入D觸發(fā)器CD4013，利用A信號作為時鐘，B信號作為D輸入端。當(dāng)A滯后B時，Q輸出高電平，當(dāng)A超前B時，Q輸出低電平，這樣就根據(jù)D觸發(fā)器輸出電平的高低來判斷相位角的正負(fù)。

圖2 電壓電流檢測電路

2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換及算法電路

經(jīng)過電壓、電流、相位的檢測信號需要進行AD轉(zhuǎn)換，在進一步進行數(shù)據(jù)處理。為此系統(tǒng)采用簡單可靠，易于操作編程的新華龍公司C8051F022單片機對上述信號進行處理。

C8051F022單片機具有高速、流水線結(jié)構(gòu)與CIP-51內(nèi)核；有片內(nèi)10位SAR ADC，該ADC工作在100ksps的最大采樣速率時可提供真正的12位精度，INL為±1LSB。因此模數(shù)轉(zhuǎn)換可在單片機片內(nèi)處理，簡化了電路，節(jié)約了成本。單片機采樣處理部分代碼如下：

單片機除了將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號外，還要對得到的數(shù)據(jù)進行運算處理，完成相位、阻抗和功率的計算。主回路的阻抗Z，相位角ψ，電阻R，電抗X，有功功率P符合下列方程組：

采樣得到的電壓值U和電流值I相除，可以得到主電路阻抗。相位角每隔25mV相差1°，根據(jù)VPHS可以求出相位角ψ。例如，測量信息為U1=1V，U2=1.6V，VPHS=1500mV，求得：

阻抗 Z=125Ω，相位角ψ=60°，R=62.5Ω，電抗X=108.3Ω，P=16000W。

單片機是可編程器件，數(shù)據(jù)庫齊全，可以很方便求出以上參數(shù)。在測量過程中存在的誤差，可以從程序上進行誤差修正，提高系統(tǒng)測量的精確度，降低了系統(tǒng)對于元器件的依賴性。根據(jù)測量到的發(fā)射機有效功率和主回路的電壓、電流、阻抗、相位信息，調(diào)諧控制系統(tǒng)可利用調(diào)諧元件進行電阻的阻抗匹配和調(diào)諧控制，完成調(diào)諧工作，并監(jiān)測發(fā)射機運行過程。

3 結(jié)語

該套系統(tǒng)在甚低頻發(fā)射機上進行兩個月的測試。在復(fù)雜電磁環(huán)境下，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，抗干擾能力強，未出現(xiàn)異常。系統(tǒng)測量精度高，響應(yīng)速度快，測量結(jié)果與實際誤差小于3%，滿足發(fā)射機指標(biāo)要求。發(fā)射機根據(jù)該套系統(tǒng)檢測的參數(shù)進行調(diào)諧，調(diào)諧準(zhǔn)確度高，性能好，試驗證明該套測量系統(tǒng)能夠在甚低頻發(fā)射機上正常使用，并且滿足使用要求，能為甚低頻發(fā)射機安全、高效運行提供可靠保障。