硅振蕩器提高調(diào)頻多普勒引信的炸高精度

閆民鋒,楊金鋼

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

硅振蕩器提高調(diào)頻多普勒引信的炸高精度

閆民鋒,楊金鋼

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

針對(duì)調(diào)頻多普勒引信因器件的容差和環(huán)境溫度的變化使信號(hào)處理輸出的目標(biāo)信號(hào)幅度不一致，影響引信炸高精度的問(wèn)題，提出采用硅振蕩器提高調(diào)頻多普勒引信的炸高精度的方法。該方法用硅振蕩器替代RC振蕩器，振蕩器電路電源、接地方式、輸出端口不變，僅用一個(gè)硅集成塊和一個(gè)去藕電容代替CMOS器件和電阻電容組成的RC振蕩器，振蕩頻率由器件本身決定，不需要調(diào)試外圍器件來(lái)校正輸出頻率。仿真和試驗(yàn)表明，用硅振蕩器替代RC振蕩器，能在保證耐高過(guò)載的前提下提高引信炸高精度。

調(diào)頻多普勒引信；硅振蕩器；炸高精度

0 引言

隨著武器裝備的發(fā)展，對(duì)引信炸高精度的要求越來(lái)越高。調(diào)頻多普勒引信在信號(hào)處理時(shí)，常用判決多普勒信號(hào)門(mén)限來(lái)判決炸高。由于調(diào)制三角波和二次混頻本振頻率與多普勒信號(hào)有直接關(guān)系，其頻率穩(wěn)定性對(duì)多普勒信號(hào)一致性有較大影響。調(diào)頻多普勒引信調(diào)制三角波和二次混頻的本振一般取自于同一振蕩器的分頻，目前所用的振蕩器，一般選用RC震蕩器，而RC振蕩器受器件的容差和環(huán)境溫度變化，頻率的穩(wěn)定度不高。為了調(diào)試精準(zhǔn)的RC振蕩器頻率，在引信電路設(shè)計(jì)時(shí)，需引入額外的校準(zhǔn)器件，電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在引信調(diào)試時(shí)，增加了調(diào)試難度和任務(wù)量。為了克服RC震蕩器頻率精度不高的問(wèn)題，在低過(guò)載火箭彈上選用高穩(wěn)定度的石英晶體作為振蕩器，對(duì)于加榴炮和高速侵徹引信，其彈載電路經(jīng)常要承受高達(dá)數(shù)萬(wàn)g的沖擊，石英晶體的易碎性，不適合引信的電路[1]。本文針對(duì)此問(wèn)題，提出了采用硅振蕩器提高調(diào)頻多普勒引信炸高精度的方法。

1 調(diào)頻多普勒引信和振蕩器

1.1 調(diào)頻多普勒引信概貌

調(diào)頻多普勒引信是在調(diào)頻定距引信差頻信號(hào)頻譜分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一種引信，利用差頻中多普勒信號(hào)的距離信息或速度信息工作的引信[2]。調(diào)頻多普勒引信與調(diào)頻定距引信對(duì)比，由于多普勒信號(hào)與三角波的頻率相差較大，定距的諧波與三角波頻率相差較小，用多普勒信號(hào)定距避免了三角波泄露對(duì)諧波信號(hào)的干擾。引信的工作原理框圖如圖1所示。

圖1 調(diào)頻多普勒引信工作原理圖Fig.1 FM doppler fuze working principle diagram

由圖1看出，“RC振蕩器”通過(guò)“分頻器1”、“分頻器2”分別產(chǎn)生“調(diào)制三角波”和“二次混頻本振”，“二次混頻本振”與“諧波帶通”產(chǎn)生的諧波二次混頻提取多普勒頻率。目前調(diào)頻多普勒引信，振蕩器一般選用RC振蕩器。由于RC振蕩器受器件容差較大，器件受環(huán)境溫度變化有較大的溫度系數(shù)，分頻產(chǎn)生的三角波和二次混頻本振隨其RC振蕩器的頻率變化而變化。

根據(jù)定距諧波公式[2]：

fi=N×F

(1)

其中，fi為諧波信號(hào)，N為諧波次數(shù)，F(xiàn)為三角波頻率。由式(1)可知，諧波頻率的大小與調(diào)制三角波的頻率有關(guān)。由圖1可知，多普勒頻率是諧波頻率和本振頻率混頻后得到的，所以信號(hào)處理中所選振蕩器的精度對(duì)調(diào)頻多普勒引信的炸高精度起有關(guān)鍵作用。

在電路結(jié)構(gòu)方面，由于RC振蕩器器件存在較大的容差，為了得到較一致的振蕩頻率，振蕩器所選用的電阻常用兩個(gè)電阻串聯(lián)，其中一個(gè)電阻做主要振蕩頻率輸出用，另一個(gè)單獨(dú)引出到引信電路外面作校準(zhǔn)頻率用，改變其大小可以校準(zhǔn)頻率的一致性。

1.2 振蕩器概貌

現(xiàn)在常用的振蕩器有石英晶體振蕩器、陶瓷諧振槽路振蕩器、RC振蕩器、硅振蕩器。前兩種是基于機(jī)械諧振工作，后面兩種是基于電路移相工作[2]。

石英晶體具有高的穩(wěn)定度，頻率穩(wěn)定度在±20 ppm數(shù)量級(jí)[3]。但石英晶體抗過(guò)載能力較差。近年來(lái)，為了提高石英晶體過(guò)載，出現(xiàn)了改進(jìn)型的石英晶體，改進(jìn)型的石英晶體有加固型和塑封型兩類(lèi)。加固型器件在國(guó)外發(fā)展較快，采用的是三角不銹鋼片彈性托架加固，其穩(wěn)定度不受影響，最大可承受過(guò)載，國(guó)內(nèi)可做到2 000g，國(guó)外可做到15 000g[4]，體積較大，造價(jià)高。塑封器件由于受材料的影響，穩(wěn)定度受影響，可承受過(guò)載10 000g[4]，造價(jià)高。

石英晶體的便宜替代品是陶瓷振蕩器[2]，其穩(wěn)定度比石英晶體低一個(gè)數(shù)量級(jí)。缺點(diǎn)和石英晶體一樣，具有易碎性，不能承受高過(guò)載。

硅振蕩器不依靠機(jī)械諧振組件，里面沒(méi)有易損件，原理上可抗更高的過(guò)載[5]。具有啟動(dòng)速度快，抗震動(dòng)、沖擊，電磁干擾能力強(qiáng)，電流消耗低，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。器件的封裝較小，所以電路占用體積小。可替代陶瓷或石英晶體振蕩器，工作溫度范圍為-40～125 ℃。硅振蕩器的精度要比分立RC振蕩器高，多數(shù)情況下能提供與陶瓷諧振槽路相同的精度，其穩(wěn)定度在常溫下比石英晶體低一個(gè)數(shù)量級(jí)，為2×10-4，高低溫下穩(wěn)定度為2×10-3。以 LTC1799為例，在室溫條件下能輸出準(zhǔn)確度典型值為±0.5%的頻率信號(hào)。

RC振蕩器，優(yōu)點(diǎn)是能抗較高的過(guò)載。由于器件受其容差和環(huán)境溫度的變化影響，其穩(wěn)定度變化較大。標(biāo)準(zhǔn)金屬膜和片狀電阻的溫度系數(shù)從±5×10-4到±2×10-3量級(jí)[2]。RC振蕩器頻率會(huì)在標(biāo)稱(chēng)輸出頻率的5%～50%范圍內(nèi)變化。RC產(chǎn)生的振蕩器最典型的應(yīng)用，是把CMOS反相器作為放大器，與外圍器件RC結(jié)合，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率的輸出。圖2為圖1中“RC振蕩器”電路。

圖2 RC振蕩器電路Fig.2 RC oscillator circuit

圖2中，矩形框內(nèi)的器件是固定不變的，電阻R2為單獨(dú)引出電路外的可變器件，與電阻R1是串聯(lián)關(guān)系。振蕩器輸出頻率是由電阻R1、R2和C1決定，由于電阻電容存在容差，輸出的頻率會(huì)有一定的偏差，電阻R2為振蕩器頻率校準(zhǔn)器件，調(diào)試R2能彌補(bǔ)電阻電容由于容差和精度不高造成的頻率偏差。兩個(gè)CMOS反相器，一個(gè)起振蕩放大作用，一個(gè)對(duì)振蕩頻率進(jìn)行整形和放大。受RC和CMOS本身限制，輸出頻率不高。

2 RC振蕩器更換為硅振蕩器

為了減小圖1中三角波頻率和二次混頻本振對(duì)炸高精度的影響，在引信器件的選擇時(shí)，需要選擇頻率穩(wěn)定度高、耐過(guò)載的振蕩器。把原來(lái)頻率穩(wěn)定度不高的RC振蕩器換成硅振蕩器，引信的工作原理框圖與圖1相同，只不過(guò)用“硅振蕩器”替代了“RC振蕩器”。圖3為“硅振蕩器”電路。

圖3 硅振蕩器電路Fig.3 Silicon oscillator circuit

圖3中，矩形框內(nèi)的器件固定不變，電容C1為去耦電容，與硅振蕩器Q1結(jié)合能輸出穩(wěn)定的頻率，其輸出頻率的大小由所選型號(hào)決定，不需要外圍器件對(duì)輸出頻率進(jìn)行校準(zhǔn)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用體積小。硅振蕩器是完全集成的芯片，與RC相比較，沒(méi)有裸露在外的高阻抗節(jié)點(diǎn)，所以能承受更大的濕度和EMI影響，在電路板布線(xiàn)要求方面較簡(jiǎn)單。與圖2相比較，硅振蕩器電路的電源、接地方式、輸出端口沒(méi)有變化。

而圖2中，RC振蕩器頻率是由電阻R1、R2和C3決定，由于電阻電容存在容差，輸出的時(shí)鐘頻率會(huì)有一定的偏差，在引信電路中，為了克服器件本身容差因數(shù)，需要單獨(dú)引出電阻R2到信號(hào)處理器外面，對(duì)輸出頻率進(jìn)行調(diào)試，電路形式變得復(fù)雜，對(duì)引信批量生產(chǎn)，增加了調(diào)試任務(wù)。由于CMOS芯片體積較大，對(duì)小型化引信而言，占用空間較大。輸出頻率由于受CMOS芯片自身帶寬的限制，輸出頻率較低。所以調(diào)頻多普勒引信用硅振蕩替換穩(wěn)定度差的RC振蕩器，在各種環(huán)境溫度下，分頻器輸出的三角波和二次混頻本振具有較高的精度，引信輸出的多普勒信號(hào)的幅度一致性較好，調(diào)頻多普勒引信的炸高精度自然會(huì)提高。

3 驗(yàn)證

3.1 仿真分析

根據(jù)公式(1)可以看出三角波頻率對(duì)諧波頻率的影響，仿真主要驗(yàn)證諧波的二次混頻過(guò)程中，二次混頻本振的變化導(dǎo)致多普勒信號(hào)的變化情況，用多普勒信號(hào)的一致性來(lái)說(shuō)明引信的炸高精度。

假設(shè)諧波頻率不變化，用RC振蕩器和硅振蕩器，分別作為調(diào)頻引信的振蕩器，兩者比較來(lái)說(shuō)明硅振蕩器對(duì)提高引信炸高精度的作用。圖4為二次混頻取多普勒信號(hào)原理框圖。

圖4 二次混頻取多普勒信號(hào)原理框圖Fig.4 Secondary mixing principle of doppler signal block diagram

先仿真用RC振蕩器，多普勒信號(hào)輸出的情況。取振蕩器頻率1 200 kHz作為標(biāo)稱(chēng)值。綜合電阻電容的容差，和引信在各種工作環(huán)境溫度下，輸出頻率以最壞情況5%～50%范圍變化，經(jīng)過(guò)分頻后，兩個(gè)混頻本振頻率變化情況如表1。

表1 RC振蕩器混頻本振變化情況Tab.1 The change of the local oscillator RC oscillator

用表1中的混頻本振分別與兩次諧波混頻。圖5分別為本振變化5%、本振變化10%時(shí)、本振變化15%，二次混頻后多普勒信號(hào)。此處假定多普勒帶通不變化。

從圖5可以看出，當(dāng)振蕩器選用穩(wěn)定度不高的RC振蕩器，隨著RC振蕩器精度逐漸惡化，產(chǎn)生的二次混頻本振隨之變化，二次混頻后諧波通道輸出信號(hào)包絡(luò)幅度隨著本振變化量的增大而變小。對(duì)以判決信號(hào)門(mén)限來(lái)決定炸高的調(diào)頻多普勒引信，當(dāng)門(mén)限值為定值時(shí)，不同的包絡(luò)幅度，炸高觸發(fā)的位置不一樣，得到的炸高將會(huì)不同。

采用硅振蕩器作為調(diào)頻多普勒引信定距諧波二次混頻取多普勒信號(hào)時(shí)。因?yàn)楣枵袷幤魅莶钶^小、穩(wěn)定度較高，隨著環(huán)境溫度的變化，振蕩器頻率變化較小。根據(jù)引信的工作環(huán)境，表2為硅振蕩常溫下溫度系數(shù)2×10-4，高低溫下溫度系數(shù)2×10-3，溫度從-40～50℃變化，混頻本振變化情況。標(biāo)稱(chēng)的時(shí)鐘振蕩器頻率仍為1 200 kHz。

用表2中的混頻本振分別與兩次諧波混頻。圖6為兩個(gè)本振變化最壞情況，二次混頻后多普勒信號(hào)。

從圖6可以看出，由于硅振蕩器穩(wěn)定度較高，產(chǎn)生的二次混頻本振變化較小，二次混頻后得到的多普勒信號(hào)頻率和幅度變化較小。炸高精度自然會(huì)提高。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.2.1 高低溫試驗(yàn)

實(shí)際引信在工作過(guò)程中，溫度的變化對(duì)引信炸高精度影響最大，表3為兩個(gè)振蕩器在55 ℃、-40 ℃、室溫下，實(shí)驗(yàn)室推板多普勒信號(hào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)共驗(yàn)證了7發(fā)，從表3可以看出，硅振蕩器作為調(diào)頻多普勒引信的時(shí)鐘較RC振蕩器，得到的多普勒信號(hào)一致性好。

3.2.2 馬歇特試驗(yàn)

引信灌封后馬歇特試驗(yàn)，先用傳感器標(biāo)定不同齒數(shù)的過(guò)載。實(shí)驗(yàn)后引信加電工作，測(cè)試硅振蕩器分頻后的本振頻率，引信共試驗(yàn)了3發(fā)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4能看出，不同的過(guò)載，硅振蕩器分頻后的本振頻率無(wú)變化，說(shuō)明硅振蕩器在高過(guò)載情況下工作穩(wěn)定。

4 結(jié)論

提出采用硅振蕩器提高調(diào)頻多普勒引信炸高精度的方法。該方法用硅振蕩器替代RC振蕩器，振蕩器電路電源、接地方式、輸出端口不變，只用了一個(gè)硅集成塊和一個(gè)去藕電容代替了CMOS器件和電阻電容組成的振蕩器，振蕩頻率由器件本身決定，不需要調(diào)試外圍器件來(lái)校正輸出頻率。仿真和試驗(yàn)表明，用硅振蕩器替代RC振蕩器，能在保證耐高過(guò)載的前提下提高引信炸高精度。對(duì)引信電路而言，電路變簡(jiǎn)單了，體積變小了，降低了引信的調(diào)試任務(wù)。由于引信在實(shí)際工作環(huán)境溫度下，諧波濾波器和多普勒濾波器隨著環(huán)境溫度變化中心頻率會(huì)隨著漂移，濾波器對(duì)信號(hào)幅度的一致性也有影響，所以高穩(wěn)定的濾波器將是以后研究的重點(diǎn)。

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Silicon Oscillator Promote FM Doppler Fuze Burst Height Accuracy

YAN Minfeng ,YANG Jingang

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China)

The tolerance of the electronic parts and components and the change of environmental temperature made difference between input and output signals of FM Doppler, which influenced fuze burst height accuracy. Silicon oscillator was used to promote FM Doppler fuze burst height accuracy. Simulation and experiment showed that RC oscillator was replaced by silicon oscillator could improve fuze burst hight precision on the premise of high overload resistance.

FM Doppler fuze; silicon oscillator; accuracy of burst height

2016-08-29

閆民鋒(1978—)，男，陜西漢中人，工程師，研究方向：無(wú)線(xiàn)電近炸引信。E-mail:flyhorse331@126.com。

TJ43

A

1008-1194(2016)06-0046-05