基于數(shù)字電位器的調(diào)頻引信頻偏調(diào)試方法

周祖國，王偉民

(西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

調(diào)頻無線電引信是利用回波信號與發(fā)射信號之間的頻率差來實現(xiàn)定距功能。這種體制的引信具有定距精度高、抗干擾性能好，測距誤差理論上不受目標(biāo)反射特性等因素的影響[1]，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

在調(diào)頻無線電引信的研制與生產(chǎn)過程中，為了實現(xiàn)精確控制引信炸高的目的，必須嚴格控制調(diào)制頻偏ΔFm的范圍，因為該參數(shù)直接決定了引信的炸高和精度[2]。調(diào)頻引信頻偏的大小取決于高頻探測器中VCO的推頻系數(shù)和調(diào)制信號三角波的幅度。高頻探測器中VCO的推頻系數(shù)以及三角波幅度由調(diào)試電路中的電阻、電容決定。調(diào)試電阻、電容存在散差大，勢必會導(dǎo)致調(diào)頻引信頻偏精度不高。為了獲得較高精度的頻偏，傳統(tǒng)的頻偏調(diào)試方法是反復(fù)更換調(diào)試電阻。此種調(diào)試方法存在多次拆卸、焊接電阻的情況，這樣做不僅電路板的可靠性會降低，而且存在調(diào)試效率低、調(diào)試精度差的問題。采用機械電位器雖然可以通過其機械臂滑動改變電阻值，避免反復(fù)更換電阻，實現(xiàn)精確調(diào)試頻偏的目的，但受機械電位器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，其抗振動能力較差，此方法不能應(yīng)用于引信高過載的彈道使用環(huán)境[3]。針對調(diào)頻無線電引信頻偏調(diào)試效率低、精度差的問題，提出了基于數(shù)字電位器的調(diào)頻引信頻偏調(diào)試方法。

1 數(shù)字電位器簡介及頻偏調(diào)試原理

數(shù)字電位器(Digital Poten Tiometer)亦稱數(shù)控可編程電阻器，是一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械電位器(模擬電位器)的新型COMS數(shù)字、模擬混合信號處理的集成電路。數(shù)字電位器一般帶有總線接口，可通過單片機或邏輯電路進行編程。數(shù)字電位器采用數(shù)控方式調(diào)節(jié)電阻值，具有使用靈活、調(diào)節(jié)精度高、無觸點、低噪聲、不易污損、抗振動、抗干擾、體積小、壽命長等顯著優(yōu)點，可在許多領(lǐng)域取代機械電位器[4]。

在三角波調(diào)頻引信中，調(diào)頻發(fā)射機原理如圖1所示，調(diào)頻發(fā)射機利用三角波變化的電壓信號來控制變?nèi)荻O管的容值使得VCO振蕩頻率呈三角波變化從而實現(xiàn)三角波調(diào)頻，即得到頻率f(t)為三角波變化的調(diào)頻信號，后經(jīng)功率放大和天線完成調(diào)頻發(fā)射[5]。

圖1 三角波調(diào)頻發(fā)射機原理Fig.1 Principle of triangular wave FM transmitter

三角波發(fā)生器由遲滯比較器U1A和積分器U1B組成的電路構(gòu)成，如圖2所示。比較器U1A和穩(wěn)壓二極管D1、D2產(chǎn)生的方波信號經(jīng)U1B的積分電路后產(chǎn)生電壓三角波信號，當(dāng)改變積分電阻Rf的阻值時,三角波發(fā)生器輸出的三角波幅度將會發(fā)生相應(yīng)改變[6]。因三角波控制壓控振蕩器VCO工作，調(diào)頻引信的頻偏將相應(yīng)發(fā)生改變，即實現(xiàn)頻偏調(diào)試。

圖2 三角波發(fā)生器Fig.2 The triangular-wave generator

2 基于數(shù)字電位器的頻偏調(diào)試方法

2.1 硬件設(shè)計

將數(shù)字電位器X9C104接入到調(diào)頻引信三角波發(fā)生器中，通過控制數(shù)字電位器的電阻值，控制三角波信號的輸出幅度，進而實現(xiàn)對調(diào)頻引信頻偏的控制，接入位置如圖3所示。

圖3 數(shù)字電位器接入位置圖Fig.3 The access position of digital potentiometer

數(shù)字電位器X9C104是美國Xicor公司生產(chǎn)的100階數(shù)控電位器[7]。采用8腳封裝，其內(nèi)部框圖如圖4所示。它由輸入部分、非揮發(fā)貯存器和電阻陣列3大部分組成。輸入部分的工作就像一個升降計數(shù)器，升/降計數(shù)器的輸出經(jīng)過譯碼去控制接通某個電子開關(guān)，這樣就把電阻陣列上的一個點連接到滑動輸出端。電阻陣列是由100個等值的電阻和與之配合工作的電子開關(guān)組成。根據(jù)控制端的電平，計數(shù)器的內(nèi)容還可以貯存到非揮發(fā)貯存器中以便以后使用。

基于數(shù)字電位器的調(diào)頻引信頻偏調(diào)試方法硬件設(shè)備由天線、頻譜分析儀、脈沖信號發(fā)生器、直流穩(wěn)壓電源、回波吸收箱和電纜等部件組成，其組成框圖如5所示。下面分別介紹各部件在系統(tǒng)中的功能與作用：天線接收調(diào)頻引信的輻射信號，并將接收到的輻射信號通過電纜送到頻譜分析儀。頻譜分析儀測量接收到的調(diào)頻引信輻射信號，并將測試結(jié)果送給計算機。計算機分析測量結(jié)果，并發(fā)送電阻調(diào)試指令給脈沖發(fā)生器。脈沖發(fā)生器由單片機C8051F530A和485通訊接口芯片等部件構(gòu)成，負責(zé)產(chǎn)生向上/向下計數(shù)的脈沖信號，調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的電阻值。直流穩(wěn)壓電源為被調(diào)試引信和脈沖發(fā)生器提供直流電源。回波吸收箱屏蔽外界干擾信號，防止對調(diào)試結(jié)果造成影響。通過調(diào)試調(diào)頻引信中數(shù)字電位器阻值的來控制三角波信號的輸出幅度，從而達到調(diào)試調(diào)頻引信頻偏大小的目的。

圖5 硬件設(shè)備組成圖Fig.5 The hardware device composition diagram

2.2 軟件設(shè)計

為了實現(xiàn)通過串口總線使計算機控制脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生向上/向下的計數(shù)脈沖，設(shè)計了脈沖產(chǎn)生器和計算機之間的485通訊協(xié)議。當(dāng)脈沖發(fā)生器接收到指令：5A A5 06 83 00 AA產(chǎn)生向上計數(shù)的脈沖信號；當(dāng)脈沖發(fā)生器接收到指令：5A A5 06 83 00 BB產(chǎn)生向下計數(shù)的脈沖信號。

頻偏調(diào)試應(yīng)用軟件設(shè)計流程如圖6所示。

圖6 頻偏調(diào)試系統(tǒng)軟件流程圖Fig.6 The software flow chart of frequency deviation debugging system

具體調(diào)試過程：將待調(diào)產(chǎn)品裝入回波吸收箱中，啟動頻偏調(diào)試應(yīng)用軟件，軟件首先完成對整個調(diào)試系統(tǒng)的初始化工作，接著進入調(diào)試輸入界面，設(shè)置被調(diào)產(chǎn)品的目標(biāo)頻偏值。計算機控制程控電源給待調(diào)產(chǎn)品上電，待調(diào)產(chǎn)品上電后開始工作，輻射調(diào)頻電磁波；接收天線接收來自待調(diào)產(chǎn)品的輻射信號，并將其送至頻譜分析儀，頻譜分析儀將測量結(jié)果通過通訊總線送給計算機，計算機分析測量結(jié)果；如果測量結(jié)果不在設(shè)定的頻偏范圍內(nèi)則控制脈沖產(chǎn)生器輸出向上/向下的計數(shù)脈沖，調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的阻值，然后重新測量頻偏，直到測量結(jié)果在設(shè)置的頻偏范圍內(nèi)，產(chǎn)品才斷電結(jié)束調(diào)試。

3 試驗驗證

為了驗證基于數(shù)字電位器的頻偏調(diào)試方法與傳統(tǒng)手動更換電阻方式的頻偏調(diào)試方法在調(diào)試效率與調(diào)試精度兩方面的差異，隨機抽取了20發(fā)待調(diào)試的調(diào)頻引信產(chǎn)品。將20發(fā)待調(diào)試產(chǎn)品分為A、B兩組，每組各10發(fā)。A組產(chǎn)品采用基于數(shù)字電位器的頻偏調(diào)試方法調(diào)試頻偏，B組產(chǎn)品采用傳統(tǒng)手動更換電阻方式的頻偏調(diào)試方法調(diào)試頻偏，調(diào)試目標(biāo)值均預(yù)設(shè)為40 MHz。

將A組產(chǎn)品三角波發(fā)生電路中控制三角波幅度的調(diào)試電阻更換為數(shù)字電位器X9C104，然后采用基于數(shù)字電位器的頻偏調(diào)試方法進行調(diào)試。啟動基于數(shù)字電位器的調(diào)頻引信頻偏調(diào)試方法專用軟件，軟件自動進入用戶操作界面，如圖7所示。在圖7的用戶界面中輸入頻偏調(diào)試目標(biāo)值40 MHz，點擊啟動自動化調(diào)試按鈕，執(zhí)行頻偏自動化調(diào)試，并記錄下每發(fā)產(chǎn)品調(diào)試完畢后的頻偏及所需的調(diào)試時間。

圖7 頻偏調(diào)試用戶操作界面Fig.7 The user interface of frequency deviation debugging system

B組產(chǎn)品采用傳統(tǒng)手動更換電阻方式的頻偏調(diào)試方法調(diào)試頻偏，通過反復(fù)拆卸、焊接不同檔位阻值的電阻盡可能將其頻偏調(diào)試到40 MHz，并記錄下每發(fā)產(chǎn)品調(diào)試完畢后的頻偏及所需的調(diào)試時間。

基于以上兩種頻偏調(diào)試方法的調(diào)試結(jié)果見表1所示。通過表1可以看出，采用基于數(shù)字電位器的頻偏調(diào)試方法調(diào)試完畢后頻偏均值為39.82 MHz，頻偏方差為0.74，調(diào)試時間均值為10.6 s；而采用手動更換電阻的頻偏調(diào)試方法調(diào)試完畢后頻偏均值為39.21 MHz，頻偏方差21.87，調(diào)試時間均值為90 s。統(tǒng)計結(jié)果表明采用基于數(shù)字電位器的頻偏調(diào)試方法調(diào)試完畢后其頻偏均值更接近預(yù)設(shè)的調(diào)試目標(biāo)值40 MHz，頻偏值的一致性也更好，調(diào)試時間也更短，說明其頻偏調(diào)試效率和調(diào)試精度更高。

表1 頻偏調(diào)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出了基于數(shù)字電位器的調(diào)頻引信頻偏調(diào)試方法，該調(diào)試方法將數(shù)字電位器X9C104應(yīng)用到調(diào)頻引信三角波發(fā)生電路中，設(shè)計了專用的硬件調(diào)試環(huán)境，編寫了專用的調(diào)試軟件，在計算機控制下實現(xiàn)調(diào)頻引信頻偏自動化調(diào)試。試驗驗證表明該調(diào)試方法提高了調(diào)頻引信頻偏調(diào)試效率和調(diào)試精度。