馮喜陽(yáng)

摘 要 介紹了脈沖階梯調(diào)制（PSM）技術(shù)的發(fā)展、基本結(jié)構(gòu)和工作原理，簡(jiǎn)要介紹了近些年來(lái)脈沖階梯調(diào)制（PSM）技術(shù)在大功率短波發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用。重點(diǎn)介紹了TSW2500型500 kW大功率短波發(fā)射機(jī)在PSM調(diào)制中，如何利用脈沖寬度調(diào)制（PWM）來(lái)進(jìn)行細(xì)調(diào)諧補(bǔ)償，從而來(lái)控制每一級(jí)階梯誤差，以便更逼近原始音頻信號(hào)變化規(guī)律的方法。

關(guān)鍵詞 大功率短波發(fā)射機(jī)；PSM調(diào)制；PWM補(bǔ)償；原理

中圖分類號(hào)：TN838 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）04-0038-02

目前世界各大功率廣播發(fā)射機(jī)的都朝著高效率的方向發(fā)展，對(duì)于100 kW以上功率等級(jí)的短波廣播發(fā)射機(jī)已實(shí)現(xiàn)整機(jī)效率達(dá)到70%，而取得這一成績(jī)的主要原因之一是因?yàn)椴捎昧诵滦偷恼{(diào)制器。20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的脈沖寬度調(diào)制器（Pulse Width Modulation-PWM），使500 kW短波功率等級(jí)短波廣播發(fā)射機(jī)的整機(jī)效率提高到65%，80年代由瑞士ABB公司研制成功并發(fā)展起來(lái)的脈沖階梯調(diào)制器（Pulse Step Modulation-PSM），將發(fā)射機(jī)的整機(jī)效率提高到75%，大大節(jié)約了能源，提高了發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定度，簡(jiǎn)化了發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)。

脈沖階梯調(diào)制（PSM）技術(shù)特點(diǎn)是把傳統(tǒng)屏調(diào)機(jī)的主整和調(diào)幅器合二為一，并把主整電壓化整為零。PSM控制系統(tǒng)將輸入的音頻調(diào)制信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，再通過(guò)邏輯控制系統(tǒng)去控制相應(yīng)的開(kāi)關(guān)接通和斷開(kāi)。每接通一個(gè)PSM開(kāi)關(guān)就向射頻級(jí)被調(diào)電子管屏極增加一個(gè)Us的電壓，接通開(kāi)關(guān)數(shù)量的多少是正比于載波電平和音頻調(diào)制信號(hào)的大小。若被調(diào)級(jí)的直流屏極電壓為14 kV，每個(gè)模塊的輸出電壓Us為700 V，那么在載波的情況下，將有20個(gè)PSM模塊接通；在有調(diào)制情況下，對(duì)應(yīng)100%調(diào)制正鋒時(shí)，有40個(gè)模塊接通；對(duì)應(yīng)100%調(diào)制負(fù)峰是，所有PSM模塊均被斷開(kāi)。因此PSM調(diào)制器輸出波形是一個(gè)階梯狀波型。

1 PSM調(diào)制原理

TSW2500型500 kW發(fā)射機(jī)的PSM系統(tǒng)是由26個(gè)雙功率模塊串聯(lián)組成，為發(fā)射機(jī)的高末級(jí)提供調(diào)制電壓，如圖1所示。每塊模塊都包含了一個(gè)直流電源Us，一個(gè)固態(tài)開(kāi)關(guān)S和一個(gè)空轉(zhuǎn)二極管D，每個(gè)模塊也是一個(gè)初一級(jí)PSM開(kāi)關(guān)。PSM系統(tǒng)總的輸出電壓是每個(gè)模塊輸出電壓的總和。開(kāi)關(guān)S也就是IGBT，受音頻信號(hào)和直流信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換和相應(yīng)處理后的控制信號(hào)的控制，當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，輸出電壓為Us；當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，輸出電壓為零，此時(shí)各級(jí)的串聯(lián)電壓通過(guò)空轉(zhuǎn)二極管得以聯(lián)通。因此，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)S閉合與斷開(kāi)來(lái)控制實(shí)際閉合的模塊數(shù)量，就可以產(chǎn)生0和最大值Umax=N·Us（N為總的模塊數(shù)）之間的任何電壓值。由圖1可知，在初始時(shí)刻T0時(shí)，所有PSM模塊均斷開(kāi)，調(diào)制器的輸出電壓為0 V；而在下一時(shí)刻t1時(shí)，又一級(jí)PSM模塊被合上，調(diào)制器的輸出電壓為Us，如此類推。

我們不難發(fā)現(xiàn)直接控制模塊的開(kāi)合方法來(lái)給高末屏極提供電壓波形含有較大的階梯紋波分量，當(dāng)發(fā)射機(jī)處于小信號(hào)的低調(diào)幅或底音頻調(diào)制時(shí)，其階梯紋波的頻率也很低，且都處在低通濾波器的帶通內(nèi)難以濾除，從而導(dǎo)致明顯的量化失真。為了改善這種失真，將在每個(gè)階梯電壓上加上PWM補(bǔ)償脈沖。該脈沖具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

圖1 PSM結(jié)構(gòu)

1）補(bǔ)償脈沖的振幅為一個(gè)PSM模塊輸出電壓Us。

2）補(bǔ)償脈沖的寬度正比于兩個(gè)階梯之間與音頻信號(hào)的瞬時(shí)誤差電壓。

3）補(bǔ)償脈沖的頻率一般在70 kHz～100 kHz范圍內(nèi)選擇。

如圖2所示。

圖2 PWM調(diào)制

并且為了使各級(jí)PSM模塊獲得均勻的工作負(fù)荷，同時(shí)降低PSM開(kāi)關(guān)的工作頻率，通過(guò)采用“先合者先斷”和“先斷者先合”的順序進(jìn)行。在載波情況下，每個(gè)PSM模塊的開(kāi)關(guān)工作頻率將降低為原來(lái)的1/n，從而使所有的模塊工作時(shí)間基本相同。

2 PWM補(bǔ)償方法

PWM發(fā)生器的運(yùn)行頻率為12.8 MHz，而PWM的開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz，因此產(chǎn)生一個(gè)7位的動(dòng)態(tài)范圍（27=128），而總的動(dòng)態(tài)范圍由功率模塊的數(shù)量決定。7比特的動(dòng)態(tài)范圍相當(dāng)于把一個(gè)模塊電壓臺(tái)階（大臺(tái)階）US細(xì)分成128個(gè)細(xì)臺(tái)階，細(xì)臺(tái)階值為1/128US。所以PWM的補(bǔ)償值為1/128US-127/128US。

本機(jī)有52個(gè)單功率模塊。單音周100%調(diào)幅時(shí)有52級(jí)大臺(tái)階，所以總的臺(tái)階數(shù)為52×128=6656。

2.1 PWM的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

PWM數(shù)值用來(lái)結(jié)合EPROM中的編碼表產(chǎn)生一個(gè)ON和一個(gè)OFF的時(shí)間，ON和OFF的時(shí)間計(jì)算依靠r和一個(gè)相應(yīng)8位EPROM，如圖3所示。

編碼表產(chǎn)生兩個(gè)數(shù)字（對(duì)應(yīng)a與b），兩個(gè)數(shù)字送入兩個(gè)已經(jīng)清零的計(jì)數(shù)器，一個(gè)計(jì)數(shù)器（對(duì)應(yīng)b值）在其計(jì)數(shù)到0時(shí)發(fā)出PWM-ON（b

圖3 PWM框圖

2.2 PSM模塊循環(huán)過(guò)程

PSM模塊接受控制系統(tǒng)“ON”和“OFF”命令進(jìn)行合斷，并將損壞的功率模塊排除在使用范圍之外，如圖4所示。

圖4 功率模塊循環(huán)控制框圖

當(dāng)或門1的輸入信號(hào)任一路有操作脈沖，都會(huì)輸出一個(gè)合閘脈沖。該合閘脈沖（送入ON CONTROL）從OFF FIFO存儲(chǔ)器A19的低端，讀出一個(gè)被斷開(kāi)時(shí)間最長(zhǎng)PSM開(kāi)關(guān)地址（Off Address），并把這個(gè)地址變?yōu)镺N Address分兩路送出，一路由底端寫入ON FIFO（A18）中，另一路送去光纖接口板；同時(shí)ON CONTROL發(fā)出一個(gè)ON信號(hào)去光線接口板，去合上該斷開(kāi)時(shí)間最長(zhǎng)PSM開(kāi)關(guān)。

當(dāng)或門2的輸入信號(hào)任一路有操作脈沖，都會(huì)輸出一個(gè)拉閘脈沖。該拉閘脈沖（送入OFF CONTROL）從ON FIFO存儲(chǔ)器A18的頂端，讀出一個(gè)被合上時(shí)間最長(zhǎng)PSM開(kāi)關(guān)地址（ON Address），并把這個(gè)地址變?yōu)镺FF Address分兩路送出，一路由頂端寫入OFF FIFO（A19）中，另一路送去光纖接口板；同時(shí)OFF CONTROL發(fā)出一個(gè)OFF信號(hào)去光纖接口板，去斷開(kāi)這個(gè)合上時(shí)間最長(zhǎng)PSM開(kāi)關(guān)。

3 小結(jié)

TSW2500型500 kW發(fā)射機(jī)PSM調(diào)制系統(tǒng)中采取先進(jìn)的PWM輔助補(bǔ)償技術(shù)，提高了發(fā)射機(jī)的調(diào)制量化精度，大大減小了失真，有力地提升了該發(fā)射機(jī)的電聲指標(biāo)。通過(guò)對(duì)PWM補(bǔ)償技術(shù)的研究，不僅使我們加深了對(duì)該類型大功率短波發(fā)射機(jī)調(diào)制技術(shù)的了解，而且為我們?nèi)粘＞S護(hù)工作和發(fā)射機(jī)故障處理提供了理論支持，希望能為同行提供有價(jià)值的參考。

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