馮喜陽

摘 要 介紹了脈沖階梯調(diào)制（PSM）技術(shù)的發(fā)展、基本結(jié)構(gòu)和工作原理，簡要介紹了近些年來脈沖階梯調(diào)制（PSM）技術(shù)在大功率短波發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用。重點(diǎn)介紹了TSW2500型500 kW大功率短波發(fā)射機(jī)在PSM調(diào)制中，如何利用脈沖寬度調(diào)制（PWM）來進(jìn)行細(xì)調(diào)諧補(bǔ)償，從而來控制每一級階梯誤差，以便更逼近原始音頻信號變化規(guī)律的方法。

關(guān)鍵詞 大功率短波發(fā)射機(jī)；PSM調(diào)制；PWM補(bǔ)償；原理

中圖分類號：TN838 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）04-0038-02

目前世界各大功率廣播發(fā)射機(jī)的都朝著高效率的方向發(fā)展，對于100 kW以上功率等級的短波廣播發(fā)射機(jī)已實(shí)現(xiàn)整機(jī)效率達(dá)到70%，而取得這一成績的主要原因之一是因?yàn)椴捎昧诵滦偷恼{(diào)制器。20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的脈沖寬度調(diào)制器（Pulse Width Modulation-PWM），使500 kW短波功率等級短波廣播發(fā)射機(jī)的整機(jī)效率提高到65%，80年代由瑞士ABB公司研制成功并發(fā)展起來的脈沖階梯調(diào)制器（Pulse Step Modulation-PSM），將發(fā)射機(jī)的整機(jī)效率提高到75%，大大節(jié)約了能源，提高了發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定度，簡化了發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)。

脈沖階梯調(diào)制（PSM）技術(shù)特點(diǎn)是把傳統(tǒng)屏調(diào)機(jī)的主整和調(diào)幅器合二為一，并把主整電壓化整為零。PSM控制系統(tǒng)將輸入的音頻調(diào)制信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，再通過邏輯控制系統(tǒng)去控制相應(yīng)的開關(guān)接通和斷開。每接通一個PSM開關(guān)就向射頻級被調(diào)電子管屏極增加一個Us的電壓，接通開關(guān)數(shù)量的多少是正比于載波電平和音頻調(diào)制信號的大小。若被調(diào)級的直流屏極電壓為14 kV，每個模塊的輸出電壓Us為700 V，那么在載波的情況下，將有20個PSM模塊接通；在有調(diào)制情況下，對應(yīng)100%調(diào)制正鋒時，有40個模塊接通；對應(yīng)100%調(diào)制負(fù)峰是，所有PSM模塊均被斷開。因此PSM調(diào)制器輸出波形是一個階梯狀波型。

1 PSM調(diào)制原理

TSW2500型500 kW發(fā)射機(jī)的PSM系統(tǒng)是由26個雙功率模塊串聯(lián)組成，為發(fā)射機(jī)的高末級提供調(diào)制電壓，如圖1所示。每塊模塊都包含了一個直流電源Us，一個固態(tài)開關(guān)S和一個空轉(zhuǎn)二極管D，每個模塊也是一個初一級PSM開關(guān)。PSM系統(tǒng)總的輸出電壓是每個模塊輸出電壓的總和。開關(guān)S也就是IGBT，受音頻信號和直流信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和相應(yīng)處理后的控制信號的控制，當(dāng)開關(guān)S閉合時，輸出電壓為Us；當(dāng)開關(guān)S斷開時，輸出電壓為零，此時各級的串聯(lián)電壓通過空轉(zhuǎn)二極管得以聯(lián)通。因此，通過控制開關(guān)S閉合與斷開來控制實(shí)際閉合的模塊數(shù)量，就可以產(chǎn)生0和最大值Umax=N·Us（N為總的模塊數(shù)）之間的任何電壓值。由圖1可知，在初始時刻T0時，所有PSM模塊均斷開，調(diào)制器的輸出電壓為0 V；而在下一時刻t1時，又一級PSM模塊被合上，調(diào)制器的輸出電壓為Us，如此類推。

我們不難發(fā)現(xiàn)直接控制模塊的開合方法來給高末屏極提供電壓波形含有較大的階梯紋波分量，當(dāng)發(fā)射機(jī)處于小信號的低調(diào)幅或底音頻調(diào)制時，其階梯紋波的頻率也很低，且都處在低通濾波器的帶通內(nèi)難以濾除，從而導(dǎo)致明顯的量化失真。為了改善這種失真，將在每個階梯電壓上加上PWM補(bǔ)償脈沖。該脈沖具有以下幾個特點(diǎn)。

圖1 PSM結(jié)構(gòu)

1）補(bǔ)償脈沖的振幅為一個PSM模塊輸出電壓Us。

2）補(bǔ)償脈沖的寬度正比于兩個階梯之間與音頻信號的瞬時誤差電壓。

3）補(bǔ)償脈沖的頻率一般在70 kHz～100 kHz范圍內(nèi)選擇。

如圖2所示。

圖2 PWM調(diào)制

并且為了使各級PSM模塊獲得均勻的工作負(fù)荷，同時降低PSM開關(guān)的工作頻率，通過采用“先合者先斷”和“先斷者先合”的順序進(jìn)行。在載波情況下，每個PSM模塊的開關(guān)工作頻率將降低為原來的1/n，從而使所有的模塊工作時間基本相同。

2 PWM補(bǔ)償方法

PWM發(fā)生器的運(yùn)行頻率為12.8 MHz，而PWM的開關(guān)頻率為100 kHz，因此產(chǎn)生一個7位的動態(tài)范圍（27=128），而總的動態(tài)范圍由功率模塊的數(shù)量決定。7比特的動態(tài)范圍相當(dāng)于把一個模塊電壓臺階（大臺階）US細(xì)分成128個細(xì)臺階，細(xì)臺階值為1/128US。所以PWM的補(bǔ)償值為1/128US-127/128US。

本機(jī)有52個單功率模塊。單音周100%調(diào)幅時有52級大臺階，所以總的臺階數(shù)為52×128=6656。

2.1 PWM的實(shí)現(xiàn)過程

PWM數(shù)值用來結(jié)合EPROM中的編碼表產(chǎn)生一個ON和一個OFF的時間，ON和OFF的時間計(jì)算依靠r和一個相應(yīng)8位EPROM，如圖3所示。

編碼表產(chǎn)生兩個數(shù)字（對應(yīng)a與b），兩個數(shù)字送入兩個已經(jīng)清零的計(jì)數(shù)器，一個計(jì)數(shù)器（對應(yīng)b值）在其計(jì)數(shù)到0時發(fā)出PWM-ON（b

圖3 PWM框圖

2.2 PSM模塊循環(huán)過程

PSM模塊接受控制系統(tǒng)“ON”和“OFF”命令進(jìn)行合斷，并將損壞的功率模塊排除在使用范圍之外，如圖4所示。

圖4 功率模塊循環(huán)控制框圖

當(dāng)或門1的輸入信號任一路有操作脈沖，都會輸出一個合閘脈沖。該合閘脈沖（送入ON CONTROL）從OFF FIFO存儲器A19的低端，讀出一個被斷開時間最長PSM開關(guān)地址（Off Address），并把這個地址變?yōu)镺N Address分兩路送出，一路由底端寫入ON FIFO（A18）中，另一路送去光纖接口板；同時ON CONTROL發(fā)出一個ON信號去光線接口板，去合上該斷開時間最長PSM開關(guān)。

當(dāng)或門2的輸入信號任一路有操作脈沖，都會輸出一個拉閘脈沖。該拉閘脈沖（送入OFF CONTROL）從ON FIFO存儲器A18的頂端，讀出一個被合上時間最長PSM開關(guān)地址（ON Address），并把這個地址變?yōu)镺FF Address分兩路送出，一路由頂端寫入OFF FIFO（A19）中，另一路送去光纖接口板；同時OFF CONTROL發(fā)出一個OFF信號去光纖接口板，去斷開這個合上時間最長PSM開關(guān)。

3 小結(jié)

TSW2500型500 kW發(fā)射機(jī)PSM調(diào)制系統(tǒng)中采取先進(jìn)的PWM輔助補(bǔ)償技術(shù)，提高了發(fā)射機(jī)的調(diào)制量化精度，大大減小了失真，有力地提升了該發(fā)射機(jī)的電聲指標(biāo)。通過對PWM補(bǔ)償技術(shù)的研究，不僅使我們加深了對該類型大功率短波發(fā)射機(jī)調(diào)制技術(shù)的了解，而且為我們?nèi)粘＞S護(hù)工作和發(fā)射機(jī)故障處理提供了理論支持，希望能為同行提供有價值的參考。

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