中波數(shù)字頻率合成激勵(lì)器基本原理及故障處理

周 瑩

（作者單位：國(guó)家廣播電視總局九五三臺(tái)）

1 頻率合成技術(shù)產(chǎn)生背景

振蕩器的作用是在各種電子設(shè)備中提供信號(hào)源，而信號(hào)源的不穩(wěn)定(幅度、頻率)將嚴(yán)重影響電子設(shè)備的性能。例如在發(fā)射機(jī)中，若載波不穩(wěn)將影響它的發(fā)射功率，最終影響收聽(tīng)效果；若頻率不穩(wěn)將不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的穩(wěn)定接收，嚴(yán)重時(shí)受眾將無(wú)法收到廣播電視臺(tái)的廣播信號(hào)和電視信號(hào)，且頻率的偏移還要干擾鄰頻或鄰頻道的工作。在接收機(jī)中，振蕩頻率不穩(wěn)將使混頻輸出的中頻頻率偏離規(guī)定值，而使中頻放大器失諧、增益下降，最終影響接收機(jī)的靈敏度；接收機(jī)振蕩的幅度不穩(wěn)將使中頻放大器的輸入信號(hào)忽大忽小，也會(huì)影響接收的靈敏度。在微波通信和電視信號(hào)的傳輸中，若載波振蕩器頻率不穩(wěn)將使邊帶信號(hào)移出通頻帶，造成信號(hào)嚴(yán)重失真或信號(hào)中斷；在測(cè)量?jī)x器中，若振蕩頻率不穩(wěn)將會(huì)造成較大的測(cè)量誤差。所以在各種電子設(shè)備中，對(duì)振蕩器的振幅和頻率穩(wěn)定都提出了嚴(yán)格的要求。

石英晶體等效電路具有很高的Q值，且在一定溫度范圍內(nèi)具有極高的穩(wěn)定性，用它做成的石英晶體振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-5～10-6/日。若對(duì)振蕩電路再采用恒溫措施，其頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-7～10-11/日，是一種理想的信號(hào)源。這種石英晶體來(lái)控制振蕩頻率的振蕩器叫晶體振蕩器，簡(jiǎn)稱晶振。晶體振蕩器的主要缺點(diǎn)是只能在固定的頻率上工作，頻率不可調(diào)。應(yīng)用頻率合成技術(shù)則可以克服這一缺點(diǎn)。

2 頻率合成技術(shù)簡(jiǎn)介

頻率合成（Frequency Synthesizer）指的是通過(guò)頻率域的線性運(yùn)算，將一個(gè)或多個(gè)頻率精確度和穩(wěn)定度很高的參考信號(hào)源，變換成具有同樣精確度和穩(wěn)定度的大量離散頻率的過(guò)程。

實(shí)現(xiàn)頻率合成的器件叫作頻率合成器。作為一種振蕩源，頻率合成器將幾個(gè)高精度晶體振蕩器作為頻率標(biāo)準(zhǔn)，在某一頻段內(nèi)，按照一定的頻率間隔，轉(zhuǎn)換出多種不同頻率的振蕩。

頻率合成按實(shí)現(xiàn)的方法不同，可分為直接頻率合成和間接頻率合成兩種。

直接頻率合成是將一個(gè)高穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度的標(biāo)頻（通常用高度穩(wěn)定的晶體振蕩器產(chǎn)生）[1]，經(jīng)過(guò)混頻、倍頻器、分頻等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的加、減、乘、除運(yùn)算，產(chǎn)生大量的同一穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的不同頻率[2]。產(chǎn)生的這些頻率再經(jīng)過(guò)濾波器濾波后輸出所需的穩(wěn)定頻率。直接頻率合成法的優(yōu)點(diǎn)是換頻速度快、分辨率很高，可達(dá)到微秒級(jí)的換頻速度，而且相位噪聲特性好[3]。缺點(diǎn)是雜散頻率多，易出現(xiàn)干擾，且設(shè)備龐大復(fù)雜，因而成本較高。

間接頻率合成法指的是輸出頻率來(lái)自電壓控制振蕩器的頻率輸出，而不是直接來(lái)自晶體振蕩器。這種方法采用鎖相環(huán)，利用相位同步原理使得電壓控制振蕩器輸出高穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)頻率，因此又稱為鎖相頻率合成法。在鑒相器中，晶體振蕩器輸出的標(biāo)準(zhǔn)頻率與電壓控制振蕩器輸出的信號(hào)進(jìn)行相位比較，其輸出電壓經(jīng)過(guò)低通濾波器加到電壓控制振蕩器的壓控元件上，隨時(shí)調(diào)整著電壓控制振蕩器的輸出頻率。間接頻率法的優(yōu)點(diǎn)是成本低、體積小、噪聲小，缺點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換較慢、分辨率不高。在現(xiàn)代通信測(cè)量設(shè)備中，主要采用的是間接頻率合成法。

3 頻率合成激勵(lì)器介紹

數(shù)字頻率合成激勵(lì)器是發(fā)射機(jī)的重要組成部分，其穩(wěn)定性對(duì)同步廣播尤為重要[4]。在廣播通信的頻率合成技術(shù)中使用了數(shù)字集成鎖相環(huán)電路，使鎖相式頻率合成激勵(lì)器具有體積小、功耗低、換頻方便、頻率穩(wěn)定度高等眾多優(yōu)點(diǎn)。

中波頻率合成器的主要組成部分為頻率合成部分（包括標(biāo)準(zhǔn)晶振、固定分頻器、程序分頻器及鎖相環(huán)等）、隔離和功率放大部分、穩(wěn)壓電源部分、輸出監(jiān)測(cè)指示部分，方框圖如圖1所示。

圖1 頻率合成器方框圖

激勵(lì)器的基準(zhǔn)頻率1 kHz是由5 MHz高穩(wěn)定度晶體振蕩器經(jīng)過(guò)隔離放大器和兩級(jí)固定分頻器得到的，其頻率穩(wěn)定度可達(dá)1×10-7Hz/7日，頻率準(zhǔn)確度可由電路中W3電位器調(diào)整。

數(shù)字集成鎖相環(huán)路主要由環(huán)路濾波器、壓控震蕩以及相位比較器（鑒相器）等部分組成[5]，具體電路由集成塊CD4046和部分外接電阻電容組成的濾波器等組成。它可以對(duì)基準(zhǔn)頻率1 kHz和比較頻率1 kHz進(jìn)行鑒頻鑒相。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)頻率不同相位有差異時(shí)，鎖相環(huán)路處于跟蹤調(diào)節(jié)狀態(tài)，直至兩個(gè)信號(hào)頻率差為零而達(dá)到相位鎖定。

程序分頻器由集成塊CD4522和KBP1-3撥盤開(kāi)關(guān)等組成。

由可預(yù)置數(shù)的二-十進(jìn)制1/N計(jì)數(shù)器的預(yù)置端按8.4.2.1碼(BCD碼)和面板上的撥盤開(kāi)關(guān)KBP1-3直接配合，經(jīng)撥盤開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)碼顯示，預(yù)置頻率和換頻操作直觀方便。

鎖相環(huán)輸出經(jīng)過(guò)BG2～BG6四級(jí)電壓放大，它們一般采用高頻管3DG120組成工作點(diǎn)穩(wěn)定電路和射極輸出電路，末級(jí)是輸入變壓器倒相式推挽放大電路，由功率管3DA1組成丁類放大，其輸出經(jīng)過(guò)調(diào)諧回路選頻后可達(dá)100 V高頻電壓輸出，小盒面板上并有電壓表給予指示。

激勵(lì)器內(nèi)部裝有兩組穩(wěn)壓電源，一組由W7812、W7815、W7824固定三端穩(wěn)壓器產(chǎn)生三組不同直流電壓輸出，12 V專門供給5 MHz標(biāo)準(zhǔn)晶振，15 V供給BG1隔離放大器和IC1、IC2固定分頻器，24 V供給BG2 ～ BG6四級(jí)電壓放大器。另一組由可變?nèi)朔€(wěn)壓器W350產(chǎn)生可調(diào)整輸出電壓供給末級(jí)推挽管3DA1，通過(guò)改變電路中W1電位器的阻值，可以改變激勵(lì)器的輸出大小，以滿足高前級(jí)所需的激勵(lì)要求。

激勵(lì)器還有頻率監(jiān)測(cè)和輸出指示，監(jiān)測(cè)采用一塊大規(guī)模集成塊ICM7216接成10 s閘門時(shí)間，8位數(shù)碼顯示，監(jiān)測(cè)頻率精度可達(dá)0.1 Hz 。激勵(lì)小盒中裝有兩套獨(dú)立的晶振系統(tǒng)，通過(guò)人工控制繼電器達(dá)到相互倒換的目的。

4 頻率合成激勵(lì)器的故障處理

由于數(shù)字式頻率合成激勵(lì)器采用的半導(dǎo)體器件，集成塊多，線路較復(fù)雜，產(chǎn)生故障時(shí)隱蔽性較強(qiáng)，不易檢查。因此，在檢查中通過(guò)“直觀判斷法”，可以直觀判斷元器件有無(wú)變色，觸摸集成塊三極管溫度有無(wú)過(guò)熱，利用“儀表法”，用三用表檢測(cè)直流工作電壓；用示波器測(cè)量各級(jí)輸入、輸出波形等，逐級(jí)檢查，找出故障點(diǎn)。

4.1 KBP1-3型撥盤開(kāi)關(guān)錯(cuò)碼故障

激勵(lì)器上使用的K1、K2、K3、K4為KBP1- 3型撥盤開(kāi)關(guān)，它是一種較新型的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，采用8.4.2.1編碼(BCD碼)進(jìn)行十進(jìn)制與二進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換。在電路的程序分頻中進(jìn)行頻率預(yù)置，使得頻率顯示直觀，換頻操作方便。

KBP1-3型撥盤開(kāi)關(guān)構(gòu)造較復(fù)雜，它由轉(zhuǎn)盤、簧片、動(dòng)刀片和印刷電路等組成，當(dāng)外部轉(zhuǎn)動(dòng)撥盤時(shí)，動(dòng)刀片與內(nèi)部的印刷板電路接通，這樣由轉(zhuǎn)盤上標(biāo)有0 ～9的十進(jìn)制數(shù)字通過(guò)內(nèi)部轉(zhuǎn)換為BCD碼0000～1001輸出。

使用中一個(gè)撥盤開(kāi)關(guān)只能代表一位十進(jìn)制數(shù)，而在鎖相式頻率合成器中程序分頻必須設(shè)置個(gè)位、十位、百位和千位數(shù)，因此電路中使用4個(gè)撥盤開(kāi)關(guān)與4只CD4522可編程計(jì)數(shù)器相級(jí)聯(lián)，組成可變分頻器。原理圖如圖2所示。

圖2 可變分頻器原理圖

運(yùn)行中有一次發(fā)現(xiàn)頻率合成激勵(lì)器在預(yù)置頻率為765 kHz時(shí)，而輸出的頻率顯示則為855 kHz，偏差達(dá)90 kHz。追查故障時(shí)，測(cè)量發(fā)現(xiàn)十位數(shù)的撥盤開(kāi)關(guān)K2在預(yù)置6時(shí)，本應(yīng)輸出BCD碼為0110，而實(shí)際輸出為1111，說(shuō)明撥盤開(kāi)關(guān)內(nèi)部有錯(cuò)碼，造成輸出異常。由于十位上K2開(kāi)關(guān)預(yù)置6而實(shí)際產(chǎn)生的數(shù)碼輸出為15，BCD碼又是十進(jìn)制，這樣在十位上顯示5而在百位上使原來(lái)的7升到8，對(duì)應(yīng)頻率顯示即為855 kHz。

KBP1-3型撥盤開(kāi)關(guān)由于無(wú)法拆開(kāi)處理，應(yīng)急處理時(shí)，人工強(qiáng)制使K2開(kāi)關(guān)輸出的編碼8和1斷開(kāi)，即圖2中A和B點(diǎn)斷開(kāi)，使IC6的輸入碼為0110，開(kāi)機(jī)試激勵(lì)器工作為正常765 kHz。

KBP1-3型撥盤開(kāi)關(guān)在長(zhǎng)期的使用和操作中，常會(huì)出現(xiàn)一些如接觸不良和錯(cuò)碼的故障，造成激勵(lì)器頻率偏移，工作異常。處理時(shí)如果無(wú)同型號(hào)開(kāi)關(guān)更換時(shí)，可以人為地對(duì)錯(cuò)碼開(kāi)關(guān)輸出進(jìn)行“置0”和“置1”的修正，保證其輸出BCD碼正常。在中波不換頻的機(jī)器上使用其法，效果穩(wěn)定可靠。

4.2 單相橋式整流器XQL-200V/6A擊穿故障

激勵(lì)器的 + 24 V和 + 35 V整流電源中使用了2組XQL-200V/6A單相硅橋，運(yùn)行中斷續(xù)出現(xiàn)開(kāi)機(jī)時(shí)，硅橋擊穿的故障輕則斷保險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)引起電源變壓器燒壞。工作人員在處理時(shí)選用了反壓稍高的新硅橋KBPC-250V/6A代用，經(jīng)過(guò)運(yùn)行工作穩(wěn)定可靠。

4.3 集成穩(wěn)壓LM350性能不好故障

激勵(lì)器中供給末級(jí)功率放大管BG8的集電級(jí)工作電壓由可調(diào)集成穩(wěn)壓LM350提供。當(dāng)改變W1電位器阻值時(shí)，LM350輸出的直流電壓發(fā)生變化，這樣就使BG8集成極電壓升高或降低，它們輸出的高頻激勵(lì)大小就發(fā)生改變，可以調(diào)整高頻放大器前級(jí)FU-728的輸入激勵(lì)大小。

在運(yùn)行維護(hù)中，出現(xiàn)備份激勵(lì)器輸出信號(hào)時(shí)有、時(shí)無(wú)的故障，檢查時(shí)，懷疑是電位器接觸不良，更換過(guò)W1，更換過(guò)輸出BG7、BG8兩個(gè)功率放大管，更換過(guò)輸出調(diào)諧線圈等都未能排除故障；最后在更換穩(wěn)壓電源集成塊LM350后，故障排除，檢查換下的集成穩(wěn)壓塊直流電阻，與正常相比無(wú)異態(tài)，估計(jì)是內(nèi)部性能不好。

4.4 前置放大管BG4、BG6極間開(kāi)路的故障

工作中出現(xiàn)主用激勵(lì)器停振無(wú)輸出，故障檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)前置電壓放大級(jí)BG3輸出高頻電壓10 V正常，而經(jīng)過(guò)BG4射級(jí)輸出后，電壓下跌為約1 V，輸出不正常。按射級(jí)輸出器放大倍數(shù)約為1，輸出應(yīng)在10 V左右。檢查BG4放大管時(shí)，發(fā)現(xiàn)是管子集電極與發(fā)射極和基極間全開(kāi)路，失去放大作用所致，更換一個(gè)3DG12B管后工作正常。

在備份激勵(lì)器的運(yùn)行中也出現(xiàn)過(guò)因射極輸出放大級(jí)BG6管子的發(fā)射極與基極間開(kāi)路的故障而引起無(wú)輸出，通過(guò)更換管子后工作正常。

4.5 集成塊CD4046、CD4518擊穿故障

激勵(lì)器中任意一個(gè)集成塊損壞時(shí)，都會(huì)造成無(wú)信號(hào)輸出，作為固定分頻器CD4518損壞時(shí)，測(cè)量IC2的14腳無(wú)基準(zhǔn)頻率1 kHz輸出。鎖相環(huán)CD4046損壞時(shí)，其4腳無(wú)765 kHz信號(hào)輸出。在通電檢査時(shí)，用手觸摸其損壞的集成塊可以發(fā)現(xiàn)特別燙手，更換后故障即可排除。

4.6 輸出槽路電容C24失效故障

運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)主用激勵(lì)器中右路輸出指示電壓表嚴(yán)重偏小，為幾V，而正常輸出值應(yīng)在88 V左右。在對(duì)故障的檢査中，從前向后逐級(jí)追查中，查到末級(jí)功放輸入倒相變壓器初級(jí)端輸入高頻電壓均正常，變壓器次級(jí)的兩級(jí)輸入3端和6端也正常。檢査功放BG7和BG8中心點(diǎn)輸出高頻峰值為40 V，偏小。經(jīng)過(guò)調(diào)諧線圈后主備路B端輸出明顯偏小僅為幾V。懷疑輸出回路內(nèi)有短路現(xiàn)象。在對(duì)照檢査主備路B端對(duì)地直流電阻值時(shí)，左路正常的阻值為100 Ω，右路異態(tài)的阻值為50 Ω。再拆下電容C23和C24時(shí)，發(fā)現(xiàn)C24電容阻值為110 Ω左右，用DL-6243數(shù)字式電感電容測(cè)試表檢查電容量全無(wú)，判定電容失效。處理時(shí)換上一個(gè)220 pF電容重新調(diào)諧L1線圈后激勵(lì)器右路工作正常。

由于數(shù)字頻率合成激勵(lì)器中使用的集成塊，半導(dǎo)體管、阻容器件多，線路結(jié)構(gòu)緊密復(fù)雜，故障檢查不易。檢查中工作人員一般先用眼直觀判斷器件有無(wú)變色變形或燒痕，用手觸摸管子和集成塊等溫度有無(wú)過(guò)熱，然后再用示波器和三用表檢查各級(jí)的輸入輸出波形和直流工作點(diǎn)，最終查出故障予以排除。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了中波發(fā)射機(jī)中頻率合成技術(shù)的應(yīng)用，并對(duì)數(shù)字頻率合成激勵(lì)器出現(xiàn)的故障原因和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析[6]，可以有效縮短排查處理故障的時(shí)間，保障安全播音。