基于数字电位器的调频引信频偏调试方法

2020-05-18周祖国王伟民

探测与控制学报 2020年2期

周祖国，王伟民

(西安机电信息技术研究所，陕西西安 710065)

0 引言

调频无线电引信是利用回波信号与发射信号之间的频率差来实现定距功能。这种体制的引信具有定距精度高、抗干扰性能好，测距误差理论上不受目标反射特性等因素的影响[1]，在现代战争中得到越来越广泛的应用。

在调频无线电引信的研制与生产过程中，为了实现精确控制引信炸高的目的，必须严格控制调制频偏ΔFm的范围，因为该参数直接决定了引信的炸高和精度[2]。调频引信频偏的大小取决于高频探测器中VCO的推频系数和调制信号三角波的幅度。高频探测器中VCO的推频系数以及三角波幅度由调试电路中的电阻、电容决定。调试电阻、电容存在散差大，势必会导致调频引信频偏精度不高。为了获得较高精度的频偏，传统的频偏调试方法是反复更换调试电阻。此种调试方法存在多次拆卸、焊接电阻的情况，这样做不仅电路板的可靠性会降低，而且存在调试效率低、调试精度差的问题。采用机械电位器虽然可以通过其机械臂滑动改变电阻值，避免反复更换电阻，实现精确调试频偏的目的，但受机械电位器内部结构的影响，其抗振动能力较差，此方法不能应用于引信高过载的弹道使用环境[3]。针对调频无线电引信频偏调试效率低、精度差的问题，提出了基于数字电位器的调频引信频偏调试方法。

1 数字电位器简介及频偏调试原理

数字电位器(Digital Poten Tiometer)亦称数控可编程电阻器，是一种代替传统机械电位器(模拟电位器)的新型COMS数字、模拟混合信号处理的集成电路。数字电位器一般带有总线接口，可通过单片机或逻辑电路进行编程。数字电位器采用数控方式调节电阻值，具有使用灵活、调节精度高、无触点、低噪声、不易污损、抗振动、抗干扰、体积小、寿命长等显著优点，可在许多领域取代机械电位器[4]。

在三角波调频引信中，调频发射机原理如图1所示，调频发射机利用三角波变化的电压信号来控制变容二极管的容值使得VCO振荡频率呈三角波变化从而实现三角波调频，即得到频率f(t)为三角波变化的调频信号，后经功率放大和天线完成调频发射[5]。

图1 三角波调频发射机原理Fig.1 Principle of triangular wave FM transmitter

三角波发生器由迟滞比较器U1A和积分器U1B组成的电路构成，如图2所示。比较器U1A和稳压二极管D1、D2产生的方波信号经U1B的积分电路后产生电压三角波信号，当改变积分电阻Rf的阻值时,三角波发生器输出的三角波幅度将会发生相应改变[6]。因三角波控制压控振荡器VCO工作，调频引信的频偏将相应发生改变，即实现频偏调试。

图2 三角波发生器Fig.2 The triangular-wave generator

2 基于数字电位器的频偏调试方法

2.1 硬件设计

将数字电位器X9C104接入到调频引信三角波发生器中，通过控制数字电位器的电阻值，控制三角波信号的输出幅度，进而实现对调频引信频偏的控制，接入位置如图3所示。

图3 数字电位器接入位置图Fig.3 The access position of digital potentiometer

数字电位器X9C104是美国Xicor公司生产的100阶数控电位器[7]。采用8脚封装，其内部框图如图4所示。它由输入部分、非挥发贮存器和电阻阵列3大部分组成。输入部分的工作就像一个升降计数器，升/降计数器的输出经过译码去控制接通某个电子开关，这样就把电阻阵列上的一个点连接到滑动输出端。电阻阵列是由100个等值的电阻和与之配合工作的电子开关组成。根据控制端的电平，计数器的内容还可以贮存到非挥发贮存器中以便以后使用。

基于数字电位器的调频引信频偏调试方法硬件设备由天线、频谱分析仪、脉冲信号发生器、直流稳压电源、回波吸收箱和电缆等部件组成，其组成框图如5所示。下面分别介绍各部件在系统中的功能与作用：天线接收调频引信的辐射信号，并将接收到的辐射信号通过电缆送到频谱分析仪。频谱分析仪测量接收到的调频引信辐射信号，并将测试结果送给计算机。计算机分析测量结果，并发送电阻调试指令给脉冲发生器。脉冲发生器由单片机C8051F530A和485通讯接口芯片等部件构成，负责产生向上/向下计数的脉冲信号，调节数字电位器的电阻值。直流稳压电源为被调试引信和脉冲发生器提供直流电源。回波吸收箱屏蔽外界干扰信号，防止对调试结果造成影响。通过调试调频引信中数字电位器阻值的来控制三角波信号的输出幅度，从而达到调试调频引信频偏大小的目的。

图5 硬件设备组成图Fig.5 The hardware device composition diagram

2.2 软件设计

为了实现通过串口总线使计算机控制脉冲产生器产生向上/向下的计数脉冲，设计了脉冲产生器和计算机之间的485通讯协议。当脉冲发生器接收到指令：5A A5 06 83 00 AA产生向上计数的脉冲信号；当脉冲发生器接收到指令：5A A5 06 83 00 BB产生向下计数的脉冲信号。

频偏调试应用软件设计流程如图6所示。

图6 频偏调试系统软件流程图Fig.6 The software flow chart of frequency deviation debugging system

具体调试过程：将待调产品装入回波吸收箱中，启动频偏调试应用软件，软件首先完成对整个调试系统的初始化工作，接着进入调试输入界面，设置被调产品的目标频偏值。计算机控制程控电源给待调产品上电，待调产品上电后开始工作，辐射调频电磁波；接收天线接收来自待调产品的辐射信号，并将其送至频谱分析仪，频谱分析仪将测量结果通过通讯总线送给计算机，计算机分析测量结果；如果测量结果不在设定的频偏范围内则控制脉冲产生器输出向上/向下的计数脉冲，调节数字电位器的阻值，然后重新测量频偏，直到测量结果在设置的频偏范围内，产品才断电结束调试。

3 试验验证

为了验证基于数字电位器的频偏调试方法与传统手动更换电阻方式的频偏调试方法在调试效率与调试精度两方面的差异，随机抽取了20发待调试的调频引信产品。将20发待调试产品分为A、B两组，每组各10发。A组产品采用基于数字电位器的频偏调试方法调试频偏，B组产品采用传统手动更换电阻方式的频偏调试方法调试频偏，调试目标值均预设为40 MHz。

将A组产品三角波发生电路中控制三角波幅度的调试电阻更换为数字电位器X9C104，然后采用基于数字电位器的频偏调试方法进行调试。启动基于数字电位器的调频引信频偏调试方法专用软件，软件自动进入用户操作界面，如图7所示。在图7的用户界面中输入频偏调试目标值40 MHz，点击启动自动化调试按钮，执行频偏自动化调试，并记录下每发产品调试完毕后的频偏及所需的调试时间。

图7 频偏调试用户操作界面Fig.7 The user interface of frequency deviation debugging system

B组产品采用传统手动更换电阻方式的频偏调试方法调试频偏，通过反复拆卸、焊接不同档位阻值的电阻尽可能将其频偏调试到40 MHz，并记录下每发产品调试完毕后的频偏及所需的调试时间。

基于以上两种频偏调试方法的调试结果见表1所示。通过表1可以看出，采用基于数字电位器的频偏调试方法调试完毕后频偏均值为39.82 MHz，频偏方差为0.74，调试时间均值为10.6 s；而采用手动更换电阻的频偏调试方法调试完毕后频偏均值为39.21 MHz，频偏方差21.87，调试时间均值为90 s。统计结果表明采用基于数字电位器的频偏调试方法调试完毕后其频偏均值更接近预设的调试目标值40 MHz，频偏值的一致性也更好，调试时间也更短，说明其频偏调试效率和调试精度更高。