某离轴盒检测仪调幅信号激励源设计

2018-11-05王东锋杜晓伟罗湘燕

新技术新工艺 2018年10期

王东锋，杜晓伟，张涛，罗湘燕

(空军工程大学航空机务士官学校，河南信阳 464000)

采用离轴发射方式的某发射导弹可及早捕获、跟踪目标，增加发射机会，且不需要导弹纵轴在发射时每一瞬间都沿着瞄准线对准目标，可弥补载机机动性能的不足。离轴发射必须在离轴盒控制下进行，由于离轴盒功能的可靠性对于该导弹的发射具有重要意义，因而需要对离轴盒功能进行可靠性定检。对该离轴盒进行定检需要若干路调幅信号作为截获指示信号，该信号作为激励信号，用以驱动离轴盒输出导弹的离轴发射信号[1]。传统调幅信号通常采用晶体管分离元件或者普通集成调幅电路实现，往往具有电路复杂、调幅精度低以及对输入调制信号功率要求较高等缺点。为简化调幅信号激励源设计，提高信号处理精度，本文基于高性能ARM7型微处理器STM32F103RCT6控制平台，采用四象限、高精度模拟乘法器AD633实现上述调幅信号的发生设计，并基于Proteus仿真软件对调幅信号的发生电路进行了仿真验证。

1 调幅信号的仿真设计

根据调幅的定义可知，当载波的振幅值随调制信号的大小呈线性变化时即为调幅信号。取载波信号uc(t)=Ucmcosωct，调制信号uΩ(t)=UΩmcosΩt，则调幅信号的定义如下[2]：

uAM(t)=Ucm(1+MacosΩt)cosωct

(1)

式中，Ucm为载波振幅；Ma为调制指数。则可看出，uAM(t)是振幅随低频调制信号角频率Ω变化的调幅信号。式1表明，调幅信号可看做低频调制信号和高频载波信号的乘法运算处理。

调幅信号的乘法运算可通过集成模拟乘法器AD633来实现。该芯片是一个经激光校准的、误差仅为满量程2%的模拟乘法器。在输出信号带宽为1 MHz的条件下，其输出信号压摆率可达20 V/μs，具有很高的调幅信号处理速度。AD633可以设置为多种不同的模拟计算功能，主要的应用包括调制/解调、自动增益控制、功率测量、压控放大器和倍频器[3]。该模拟乘法器由高阻抗差分输入X、Y，高阻抗求和输入Z以及低阻抗电压输出W组成。

模拟乘法器AD633工作原理图如图1所示，图1中，X1、X2、Y1、Y2和Z为信号输入端，VS+和VS-为工作电源输入端；W为信号处理结果输出端。

图1 模拟乘法器AD633工作原理图

AD633可通过内置电压/电流转换器将输入信号转换为差分电流，这些电流再由内置乘法模块实现乘法运算。内置放大器汇流节点Z允许用户添加2个或更多的乘法运算输出，配置各种模拟计算功能。AD633的信号运算传递函数如下：

(2)

根据检测要求，所需的截获指示信号必须为由载频2 kHz方波信号和调幅150 Hz正弦信号合成的峰峰值5.0 V调幅信号。为满足该调幅信号的要求，可将X2、Y2和Z等3个输入端接地，即输入信号X2=0，Y2=0，Z=0，并取X1为振幅5 V、150 Hz低频正弦调制信号,Y1为幅值5 V、2 000 Hz高频方波载频信号，则其输出信号振幅为：

该调幅信号的输出可采用Proteus软件进行仿真，仿真原理图如图2所示。仿真结果表明，该调幅信号的正峰值为2.5 V，负峰值为-2.5 V，符合峰峰值[2.5-(-2.5)]=5.0 (V)的设计要求。可见，只要给AD633模拟乘法器提供合适的载频信号和调制信号，即可通过该模拟乘法器获得所需的调幅信号输出。所需的载频信号和调制信号可由STM32微处理器的数字控制方法产生。

图2 截获指示仿真调幅信号输出

2 载频与调制信号的发生算法设计

分析表明，合成离轴盒检测所需调幅信号的2路信号源参数如下：1)幅值为5 V、频率为2 kHz的方波载频信号；2)幅值为5 V、频率为150 Hz的正弦调制信号。因为这2路信号均为模拟信号，故可采用STM32F103RCT6微处理器的2个内置数模转换模块DAC1和DAC2分别产生。该微处理器使用高性能Cortex-M3 的32位RISC内核，工作频率为72 MHz，内置高速存储器，丰富的增强I/O端口和连接到2条APB总线的外设[4]。其具有2个内置DAC转换模块、8个定时器和5个标准USART串口等丰富外设，功能强大，使用方便。载频信号和正弦调制信号可综合利用该微处理器的定时器中断和数模转换DAC技术产生。

2.1 载频信号的发生算法设计

载频信号为方波，其周期T=1/f=106/2 000=500 (μs)，则每半个周期(250 μs)DAC1通道交替输出高、低电平即可产生1 500 Hz方波。该输出可采用通用定时器TIM3的中断来实现，因TIM3的频率为72 MHz，取分频系数psc=71,则TIM3实际工作频率=72/(psc+1)=1 (MHz)，周期T=1 μs；因此，只需令TIM3每计数250次发生一次中断，并在中断服务函数中使DAC1交替输出高、低电平即可。其C语言中断服务程序如下：

void TIM3_IRQHandler(void) //定时器TIM3中断服务程序

{

if(TIM3->SR&0X0001)//溢出中断

{

if(T3_CNT==0) {DAC->DHR12R1=0; }//DAC1输出低电平

if(T3_CNT==1) {DAC->DHR12R1=4095;} //DAC1输出高电平3.3 V，后级再放大为5 V;

T3_CNT++;

if(T3_CNT==2) {T3_CNT=0; }//清0，以保证交替输出高、低电平

}

TIM3->SR&=～(1<<0);//清除中断标志位

}

2.2 调制信号的发生算法设计

本文在定时器TIM4控制下，使用DAC2通道输出150 Hz正弦调制信号。因为DAC通道只能输出0～3.3 V的模拟电压，故将输出电压设计为：u=1.25+1.25sint，则输出电压为0～2.5 V，符合DAC通道输出条件。欲获得该正弦信号输出，应首先得到按正弦规律变化转换数组。因正弦函数的周期为2π，试验表明，将区间[0, 2π]进行50等分获得的正弦数组D[i](i=0,1,2,...,49)即可输出良好精度的正弦信号。周期T=1/150=6 666 (μs)，等分间隔ΔT= 6 666/50=133.2 (μs)，只需将定时器TIM4的溢出中断设置为133.2 μs，其中断服务函数依次控制DAC2通道输出，将正弦数组D[i]转换为模拟电压即可。其C语言算法如下：

for(i=0;i<50;i++)

{

t[i]=(6.28/50)*i; //将周期50等分

y[i]=sin(t[i]); //获得正弦波

u[i]=1.25+1.25*sin(t[i]); //将该正弦波换算为0～2.5 V的输出电压

D[i]=4095.0*(u[i]/3.3); //获得上述电压所需的正弦数组，必须是0～4 095的整数

}

上述波形的MATLAB模拟结果如图3所示。

图3 正弦信号MATLAB模拟

由图3可以看出，将周期50等分所得正弦数组经STM32F103RCT6内置DAC2模块转换后可以获得良好的正弦波形。DAC2的转换由定时器TIM4中断服务函数控制进行。图3表明，受芯片工作电压限制，STM32F103内置DAC2通道在转换数组D[i]范围内，只能输出0～2.5 V正弦电压；但该调幅信号要求输入的必须是正负对称的正弦信号。为此，可利用图4所示集成运放电路，对输入信号进行线性变换。

图4 正弦信号的线性变换

图4中，R35、R41、R45，R52和反馈电阻R36构成同相输入加法电路，输入正弦信号的表达式为UIN1=1.25+1.25sint，UIN2=-1.25 V，则输出信号为：

结果表明，该集成运放电路可将输入信号变换为±5 V范围内的正弦波信号。同样将DAC1通道输出的0～3.3 V、2 kHz方波信号幅值放大为0～5 V后，利用模拟乘法器AD633，根据式2即可得所需调幅信号。输出调幅信号经R43和C20进行一阶RC低通滤波电路，其截止频率为：

该计算表明，低于该截止频率的载波频率为2 kHz的低频信号可以很好地通过，而由高频振荡器等产生的高频干扰可被显著地滤除掉。

3 调幅信号发生系统硬件设计

基于上述分析，本文设计如图5所示的调幅信号发生电路系统框图。STM32F103RCT6微处理器在定时器TIM3和TIM4控制下，分别由内置数模转换通道DAC1、DAC2输出幅值3.3 V/2 kHz方波和幅值2.5 V/150 Hz正弦波，幅值再经放大为5 V的方波和正弦波后，输入模拟乘法器AD633进行调幅处理，即可获得所需的调幅信号。