高频数控移相器及其检测系统实验设计

常娟 王立志 陈长兴 段小虎 魏青梅

摘  要： 为了解决全日制大学本科电子信息类专业学生知识与专业脱节的问题，设计一个高频数控移相器及其检测实验系统。该实验系统是从接收机中多通道相位自动均衡这样一个实际工程应用中提炼而出，以数控移相器为核心，围绕它展开静态、动态检测系统设计。该实验设计合理有效，能够激发学生的兴趣，并且对培养学生电路设计和构建系统的能力、打牢专业基础有一定帮助。

关键词： 高频电子线路; 模拟电路; 实验设计; 移相器; 检测; 负反馈跟踪系统

中图分类号： TN623?34; TP391.9                     文献标识码： A                  文章编号： 1004?373X（2019）16?0179?03

0  引  言

近年来，实验教学在大学工科类专业教学中发挥着越来越重要的作用[1?3]。特别是高频电子线路、模拟电子线路等这些工程应用性、实践性非常强的课程，实验教学尤为重要。高频电子线路是电子信息类专业的专业基础课，是对模拟电路更深层次的学习和应用。这门课程的综合性、专业性较强，学生学习难度较大。而目前大部分高频实验课就是通过虚拟实验、实验箱对课堂上学习的各种电路进行验证[4?6]。学生理论课难以理解，实验验证糊涂走过场，导致他们逐渐对高频课程的学习失去信心和兴趣[7?9]。

电子信息类专业[10?11]有一个共同点——都与雷达有关，而数控移相器是雷达系统中通道相位自动均衡系统的核心。本文设计了一个高频电子线路课程的综合自选实验，通过对高频数控移相器及其检测装置进行实验系统设计，对实验进行层层实验设计，来激发学生的兴趣，增强他们的实践能力，使他们更进一步贴近自己的专业。

1  实验系统设计方案

如图1所示，实验系统主要包括信号产生器、数控移相器、移相控制器、相幅差检测、信号调理转换、控制器、数据显示七部分。如图2所示，系统每一部分都可由多种方法来实现，例如：数控移相器可由多级串联式移相器和矢量合成式移相器这两种方法实现;相、幅差检测可由模拟集成式鉴相鉴幅器和模数混合式鉴相鉴幅器这两种方法实现。这样可以引导学生在自学、设计制作过程中，注意实现方法的多样性，使他们能够根据需求比较选择合适的技术方案、电路和元器件。

2  實验任务设计

2.1  数控移相器设计

结合实际应用，这里主要指标为：对输入信号为50 MHz正弦波，能进行0°～360°移相，最小步进小于2°（采用多级串联移相器）;另外，对速度、幅度也有相应要求。

2.2  相位检测器设计

高精度移相器能否精确测量、调试相位是首要问题。市场上精密的相位测试仪非常少见，因此在没有精密相位测试仪的情况下，常规的相位测量方法就是通过高频示波器，比较输出与输入波形的相对位置变化如图3所示。但是这种方法并不能得到精确的相位值，只能用于粗调和功能监测。因此这里需要设计一个精密的相位检测器，结构如图4所示。该相位检测器相对精度（测变化量）可达到0.1°，可以直接进行数字显示，也可以通过双路同步信号源来进行校准。

2.3  测试步骤设计

根据相位检测器的实际情况，采用常规仪器，配合辅助电路，合理设计测试步骤，构成一个实际可用的测量系统，精确检测各级移相量。

2.4  相位负反馈跟踪系统设计

这一步是将静态检测系统升级为动态的相位负反馈跟踪系统，如图5所示。当参考支路的相位发生变化时，被测移相器支路的相移能自动跟踪它的

变化，并且保持两个支路相位差在容差之内。

完成了以上所有设计后，就已经非常接近一个双通道接收机的相位自动均衡系统，这正是本次实验的目的。通过这样层层任务设计，使学生从设计部件到设计部件检测器，再到设计检测系统，最后进行综合系统设计，这样一个工程的锻炼，逐步扩展知识面、增强实践能力，更进一步贴近自己的专业，如图6所示。

3  实验实施过程

作为课程的自选综合实验之一，本文主要与课外兴趣小组、电子设计竞赛相结合，实施过程主要分为发题分组、课堂讲授、设计制作辅导和验收测试四个阶段。

3.1  发布题目，分组阶段

先发布实验信息、报名流程和相关要求，提前向学生提供设计任务书、有关知识要求和参考书目等。学生在充分了解实验内容和要求后自愿报名选做该实验题目。再根据报名的情况确定分组，每组成员3人。

图6  动态相位检测器结构图（Ⅱ）

Fig. 6  Structural chart of dynamic phase detector （Ⅱ）

3.2  课堂讲授

本阶段主要在应用背景介绍的基础上，结合测角系统框图说明相位自动均衡系统中主要部件的作用，联系实验设计任务书，强调本实验课题的工程应用特性，来激发学生的兴趣。另外，还要详细讲解高频电路设计注意事项，并且强调在保证测试精度的前提下，注重可实现性和可操作性。对自动相位反馈系统，要综合时间和条件等，优先实现较简单的系统。最后还要对时间节点和实验报告提出明确的要求。

3.3  设计制作阶段

首先要及时评估学生初级方案的可行性，根据现有条件，提出修改建议;然后辅导、检查学生所设计电路的可行性、完整性，解答疑难问题。在学生制作调试过程中提供必要的元器件、仪器设备支持，并在中期开展分组讨论、交流经验，加强对关键指标的把握。

3.4  验收测试

首先进行实验报告的阅读和评分，此外要进行现场实物性能测试，结合实验报告情况进行综合评分。最后还要进行课题总结，组织学员演讲交流。

4  结  语

该实验系统设计涵盖了多种相位处理电路，弥补了高频实验相位处理电路的稀缺。同时结合了电子信息类专业特点，涉及雷达测角多通道接收机相位自动均衡系统，工程实践性很强。该实验根据实际的需求，层层设计实验任务，这样逐步贴近了实际应用系统，激发了学生学习高频课程的兴趣。此外，系统的各环节实现方法具有多样性，有助于扩展学生的思路，使他们学会寻求多种方法解决问题。

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