稳定DX系列中波发射机载波频率的改进措施

2013-08-24郑玉东

科技传播 2013年14期

郑玉东

国家新闻出版广电总局501 台，云南安宁 650302

1 概述

DX 系列中波发射机是从美国引进的设备，在中国有着非常广泛的应用，是我国大功率中波发射机的主用机型。DX 系列中波发射机集成度高，效率高，工作稳定，各大技术指标都非常优异，均优于甲级，但是其频偏指标却不尽如人意，甚至达不到丙级的要求，这样DX 系列中波发射机的优异性能大打折扣。为此我们对DX 中波发射的频率源进行改造，用直接数字频率合成技术（DDS）代替晶体振荡电路，使其频偏指标小于1Hz,达到甲级的要求，从而使DX 中波发射机整体性能得到提高。

2 DX 系列中波发射机原用射频源介绍

DX 系列中波发射机射频源振荡器原理图如图1(a)所示。该振荡电路是石英晶体振荡器，属于典型的皮尔斯（Pierce）振荡线路，工作在四倍或八倍载波频率，输出经4 分频或8 分频后，成为发射机的载波频率。晶体Y1 被安装在套管型的烘箱R1 里，烘箱保持在70℃的温度。由于石英晶体稳定性和品质因数Q 非常高，用它来控制振荡器的频率，可以使频率稳定度达到10-5-10-6 数量级，若采用恒温控制，则会更高。

图1 晶体振荡器原理图

图1（b）是选频电路等效图，谐振频率

因为Cq/(C0+CL)≤1,用二项式定理展开，取前两项，

Cq 是动态电容，容量非常小，受温度影响较大。通过上面公式分析可知，振荡电路频率主要取决于晶体串联谐振频率ωq 和晶体Cq，而Cq 也是和ωq 相关联的重要参数之一，所以说Cq 是决定晶体振荡器频率稳定性的最重要参数。DX 中波发射机振荡器的晶体没有恒温控制，虽然使用烘箱，但电路简单，恒温效果很不理想，随着室内环境温度变化，烘箱温度偏差较大，有时可达到十多摄氏度，这样导致了Cq 和振荡频率的变化。经我们多次对发射机射频源频率24 小时跟踪测量，发现凌晨气温低时，频率偏差为正值（最大+4Hz）,下午气温高时，频率偏差为负值（最大-7Hz）。

按照广播电影电视行业标准《中短波广播发射机技术要求和测量方法》中的要求，中波发射机频偏指标甲级≤1Hz, 乙级≤3Hz，丙级≤5Hz，可以说，DX 系列发射机频偏指标已经不入级了，非常有必要对DX 中波发射机射频源进行改造。

3 直接数字频率合成技术对稳定中波发射机频波频率的改进

直接数字频率合成技术（Direct Digital Frequency Synthesis简称DDS），不仅不同于晶体振荡器，也和传统频率合成技术有着本质的区别。传统频率合成技术分为间接合成法（锁相环PLL 合成法）和直接模拟合成法。间接合成法是利用锁相环（PLL）技术对频率进行四则运算，产生所需要的频率，在国产中波发射机射频源中有着广泛的应用；早期的直接模拟合成法是利用倍频、分频、混频和滤波得到所需要的频率。DDS是一种先进波形产生技术，,从“相位”的角度来直接合成频率，具有非常高的频率准确性和稳定性，可以非常方便的输出不同的频率信号，而且可以控制波形的初始相位，通常将它视为第三代频率合成技术。

3.1 DDS 的工作原理

图2 DDS 结构原理图

图2 为DDS 结构原理图。由于正弦波信号为一个非线性的函数，想要通过电路直接得到一个正弦波信号，第一步要把正弦波信U=sinωt 的波形量化为数字信号，接着把ωt 作为地址参数，把U 作为需要读取的数据参数，按一定的顺序存到存储器中。DDS 使用相位累加技术控制波形存储器的地址，根据参考信号fc 的时钟脉冲,N 位累加器将频率控制字K 循环累加，把相加后的结果作为取样地址送入波形表，最后从存储器的波形表中找到相应的数据。量化的波形数字信号经过D/A变换得到模拟形式的正弦波输出，由滤波器滤除高次谐波，即可得到由频率控制字决定的正弦波。

3.2 直接数字频率合成器AD9951

图3 AD9951 内部结构图

我们采用的DDS 器件为Analog Devices 公司生产的AD9951。AD9951 是高集成度的DDS 集成电路，内含可编程DDS 系统和快速比较器，能实现程序控制的频率合成。AD9951 在准确的时钟频率触发下，输出高可靠性，且频率和相位由程序控制的正弦波。

AD9951 的主要性能如下：内部时钟频率400 MHz；集成化14 位D/A 输出；32 位频率转换字；良好的动态性能；4～20倍可编程参考时钟倍乘器；支持5 V 数字输入；具有相位调整功能；可以在-40 度到+105 度工业温度范围内稳定工作。

图4 中波直接数字频率合成器原理图

3.3 中波直接数字频率合成器设计

图4 是中波直接数字频率合成器原理图。硬件电路以AD9951 为核心部件。AD9951 需要一定的外部控制电路来完成其功能，由于单片机性价比高，功能灵活，易于人机对话，数据处理能力强，而且编程方便，所以选用单片机AT89C52作为控制器件。

单片机功能有：片选(CS)、传送频率控制和相位控制数据、数字信号处理、I/O 信号控制等。AD9951 存储器按照要求设置好后，产生预定频率的正弦波，振幅为200 毫伏。合成的正弦波中含有一定的谐波成分，需要经过滤波器滤波，最后得到干净的信号，该信号送到放大器，放大到需要的幅度。

DDS 输出频率是发射机载波频率的四倍，所以要四分频处理，由于DX 系列发射机射频源需要的是方波，故还要经过波形整形，方可得到所需方波。

频率合成器加电时, 单片机AT89C52 启动AD9951，并立即对面板的显示电路进行初始化，正常后向AT89C52返回指令。单片机将内部存储器的数据送到面板指示，同时把指示的信息转为频率控制数据和相位控制数据，送到AD9951 中，输出一定频率的信号。最后执行按键程序，若有键盘被有效按下，则单片机执行相应的程序。

本系统中，关机断电时的数据在下次开机时要重新调用，所以要能够方便重新调用保存下来的频率信号；另外，中波直接数字频率合采用外接晶振，外接晶振的稳定性决定了频率合成器输出频率的精度和稳定度，而实际使用的晶振是有一定误差的，允许用户根据实际情况进行频率校正并保。

因此，系统有关参数的断电保存非常重要。

该系统软件采用混合语言在KEILC 软件下编写。计算频率控制字的函数由汇编语言编写，其他的用C 语言编写。

程序采用模块化编程，具体有：执行各种初始化工作和循环判键工作的主程序，执行用户输入所需各种频率的键盘中断管理程序，执行掉电数据保存的通信程序，以及显示程序，计算频率控制字程序等。每个模块由独立的一个程序来完成。

4 主用、备用射频源自动切换电路设计

我们将DDS 合成器设置为发射机主用射频源，晶振射频源设置为备用射频源，并且增加了主用、备用自动切换电路，当主用的DDS 频率合成器因故障没有输出时，电路自动切换到备用上，大大增加了发射机射频源的可靠性，减少了停播时间。

图5 射频源自动切换电路

图5 为射频源自动切换电路图。CD4066 是数控开关芯片，有输入脚、输出脚和控制脚。

当控制脚为高电平时，开关导通；当控制脚为低电平时，开关截止。CD4066 开关可传输模拟信号的上限频率为40MHz，远大于中波频段的上限。

当数字频率合成器输出正常时，CR3、C15、R9 将U5-5脚钳位在低电平，U5-4 脚输出保持高电平，U5-15 脚输出保持低电平，这样U1 的1、2 脚导通，4、3 脚截止，选择数字频率合成器的输出信号。一旦数字频率合成器出现故障，U1的1、2 脚截止，4、3 脚导通，选择晶体振荡器的输出信号。