（中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司 北京 102209）

1 引言

在發(fā)射機(jī)換頻調(diào)機(jī)時(shí)，調(diào)諧回路如果不進(jìn)行調(diào)諧補(bǔ)償，整個(gè)主回路就會(huì)出現(xiàn)較大電抗，發(fā)射機(jī)功放輸出端的電壓、電流必然會(huì)有相位差，產(chǎn)生無(wú)功功率，降低發(fā)射機(jī)的工作效率，阻抗嚴(yán)重失諧時(shí)甚至?xí)龤Оl(fā)射機(jī)。因此需要設(shè)計(jì)一種采樣測(cè)量系統(tǒng)對(duì)發(fā)射機(jī)的電壓、電流、相位等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在發(fā)射機(jī)改變頻率，或者調(diào)諧回路器件參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，指導(dǎo)調(diào)諧電路進(jìn)行調(diào)諧，使得發(fā)射機(jī)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(gè)輸入的正弦信號(hào)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(duì)使用，稍有差異就會(huì)失去平衡；取樣信號(hào)的幅值需要嚴(yán)格控制。

適用于甚低頻發(fā)射機(jī)的高精度測(cè)量系統(tǒng)以AD637、AD8302和C8051F022為核心，可以對(duì)發(fā)射機(jī)的輸出電流、電壓，天線根部的電流、電壓進(jìn)行快速準(zhǔn)確地測(cè)量，并根據(jù)這些參數(shù)得出發(fā)射機(jī)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(cè)量系統(tǒng)，更加簡(jiǎn)單可靠，自動(dòng)化程度高，并且可根據(jù)發(fā)射機(jī)的情況靈活調(diào)整參數(shù)。

2 系統(tǒng)組成及功能

采樣測(cè)量系統(tǒng)主要包括：電壓電流采樣電路、電壓電流檢測(cè)電路、相位檢測(cè)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(jī)需要測(cè)量的主回路的大電流、高電壓通過(guò)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(hào)。電壓電流檢測(cè)電相位檢測(cè)電路的功能是將采樣得到的小信號(hào)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換為容易測(cè)量的直流信號(hào)。數(shù)模轉(zhuǎn)換及算法電路是將檢測(cè)電路得到的直流信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算公式，利用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到相應(yīng)的參數(shù)。高精度采樣測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 高精度采樣測(cè)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(jī)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(cè)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(cè)量電阻，采樣電流Is經(jīng)過(guò)RM，產(chǎn)生的電壓Vs為主回路電流的采樣電壓信號(hào)。

采樣器輸出的信號(hào)為電壓信號(hào)該信號(hào)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(cè)電路

電壓電流檢測(cè)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(duì)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(guò)電壓-電流絕對(duì)值轉(zhuǎn)換器輸出電流I1，進(jìn)入平方/除法器。平方/除法器的輸出電流I4，利用I4驅(qū)動(dòng)濾波/放大器，并與引腳8、9之間的平均電容CAV構(gòu)成一個(gè)低通濾波器。如果濾波時(shí)間τ（τ=RCAV）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)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(cè)電路如圖2，采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)變壓器T1進(jìn)行電氣隔離，然后利用R1進(jìn)行阻抗匹配。經(jīng)過(guò)LC低通濾波電路進(jìn)行濾波，進(jìn)入電壓跟隨器，輸出信號(hào)Ain。在AD637的13引腳前增加電容，除掉輸入信號(hào)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(cè)量誤差。

電壓、電流采樣后的信號(hào)經(jīng)過(guò)AD637后得到兩路直流電壓信號(hào)。通過(guò)對(duì)這兩個(gè)電壓的監(jiān)測(cè)，便可得知此時(shí)主回路的電壓、電流情況。

2.3 相位檢測(cè)電路

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

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

其中VA和VB為兩路信號(hào)的幅度，φ（VA）和φ（VB）為A、B兩路信號(hào)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(diǎn)位（VCP）900mV對(duì)應(yīng)相位90°，0°～180°對(duì)應(yīng)1800mV～0V。相位差信號(hào)VPHS經(jīng)過(guò)放大器放大2.5倍后輸出。

另外A、B兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)放大送入D觸發(fā)器CD4013，利用A信號(hào)作為時(shí)鐘，B信號(hào)作為D輸入端。當(dāng)A滯后B時(shí)，Q輸出高電平，當(dāng)A超前B時(shí)，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(lái)判斷相位角的正負(fù)。

圖2 電壓電流檢測(cè)電路

2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換及算法電路

經(jīng)過(guò)電壓、電流、相位的檢測(cè)信號(hào)需要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，在進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為此系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單可靠，易于操作編程的新華龍公司C8051F022單片機(jī)對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行處理。

C8051F022單片機(jī)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(shí)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(jī)片內(nèi)處理，簡(jiǎn)化了電路，節(jié)約了成本。單片機(jī)采樣處理部分代碼如下：

單片機(jī)除了將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)外，還要對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，完成相位、阻抗和功率的計(jì)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(cè)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(jī)是可編程器件，數(shù)據(jù)庫(kù)齊全，可以很方便求出以上參數(shù)。在測(cè)量過(guò)程中存在的誤差，可以從程序上進(jìn)行誤差修正，提高系統(tǒng)測(cè)量的精確度，降低了系統(tǒng)對(duì)于元器件的依賴性。根據(jù)測(cè)量到的發(fā)射機(jī)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(jìn)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(cè)發(fā)射機(jī)運(yùn)行過(guò)程。

3 結(jié)語(yǔ)

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