高頻數(shù)控移相器及其檢測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

常娟 王立志 陳長興 段小虎 魏青梅

摘? 要： 為了解決全日制大學(xué)本科電子信息類專業(yè)學(xué)生知識(shí)與專業(yè)脫節(jié)的問題，設(shè)計(jì)一個(gè)高頻數(shù)控移相器及其檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是從接收機(jī)中多通道相位自動(dòng)均衡這樣一個(gè)實(shí)際工程應(yīng)用中提煉而出，以數(shù)控移相器為核心，圍繞它展開靜態(tài)、動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理有效，能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，并且對培養(yǎng)學(xué)生電路設(shè)計(jì)和構(gòu)建系統(tǒng)的能力、打牢專業(yè)基礎(chǔ)有一定幫助。

關(guān)鍵詞： 高頻電子線路; 模擬電路; 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì); 移相器; 檢測; 負(fù)反饋跟蹤系統(tǒng)

中圖分類號： TN623?34; TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）16?0179?03

0? 引? 言

近年來，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在大學(xué)工科類專業(yè)教學(xué)中發(fā)揮著越來越重要的作用[1?3]。特別是高頻電子線路、模擬電子線路等這些工程應(yīng)用性、實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤為重要。高頻電子線路是電子信息類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是對模擬電路更深層次的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。這門課程的綜合性、專業(yè)性較強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大。而目前大部分高頻實(shí)驗(yàn)課就是通過虛擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)箱對課堂上學(xué)習(xí)的各種電路進(jìn)行驗(yàn)證[4?6]。學(xué)生理論課難以理解，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證糊涂走過場，導(dǎo)致他們逐漸對高頻課程的學(xué)習(xí)失去信心和興趣[7?9]。

電子信息類專業(yè)[10?11]有一個(gè)共同點(diǎn)——都與雷達(dá)有關(guān)，而數(shù)控移相器是雷達(dá)系統(tǒng)中通道相位自動(dòng)均衡系統(tǒng)的核心。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)高頻電子線路課程的綜合自選實(shí)驗(yàn)，通過對高頻數(shù)控移相器及其檢測裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行層層實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，來激發(fā)學(xué)生的興趣，增強(qiáng)他們的實(shí)踐能力，使他們更進(jìn)一步貼近自己的專業(yè)。

1? 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括信號產(chǎn)生器、數(shù)控移相器、移相控制器、相幅差檢測、信號調(diào)理轉(zhuǎn)換、控制器、數(shù)據(jù)顯示七部分。如圖2所示，系統(tǒng)每一部分都可由多種方法來實(shí)現(xiàn)，例如：數(shù)控移相器可由多級串聯(lián)式移相器和矢量合成式移相器這兩種方法實(shí)現(xiàn);相、幅差檢測可由模擬集成式鑒相鑒幅器和模數(shù)混合式鑒相鑒幅器這兩種方法實(shí)現(xiàn)。這樣可以引導(dǎo)學(xué)生在自學(xué)、設(shè)計(jì)制作過程中，注意實(shí)現(xiàn)方法的多樣性，使他們能夠根據(jù)需求比較選擇合適的技術(shù)方案、電路和元器件。

2? 實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)

2.1? 數(shù)控移相器設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，這里主要指標(biāo)為：對輸入信號為50 MHz正弦波，能進(jìn)行0°～360°移相，最小步進(jìn)小于2°（采用多級串聯(lián)移相器）;另外，對速度、幅度也有相應(yīng)要求。

2.2? 相位檢測器設(shè)計(jì)

高精度移相器能否精確測量、調(diào)試相位是首要問題。市場上精密的相位測試儀非常少見，因此在沒有精密相位測試儀的情況下，常規(guī)的相位測量方法就是通過高頻示波器，比較輸出與輸入波形的相對位置變化如圖3所示。但是這種方法并不能得到精確的相位值，只能用于粗調(diào)和功能監(jiān)測。因此這里需要設(shè)計(jì)一個(gè)精密的相位檢測器，結(jié)構(gòu)如圖4所示。該相位檢測器相對精度（測變化量）可達(dá)到0.1°，可以直接進(jìn)行數(shù)字顯示，也可以通過雙路同步信號源來進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.3? 測試步驟設(shè)計(jì)

根據(jù)相位檢測器的實(shí)際情況，采用常規(guī)儀器，配合輔助電路，合理設(shè)計(jì)測試步驟，構(gòu)成一個(gè)實(shí)際可用的測量系統(tǒng)，精確檢測各級移相量。

2.4? 相位負(fù)反饋跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

這一步是將靜態(tài)檢測系統(tǒng)升級為動(dòng)態(tài)的相位負(fù)反饋跟蹤系統(tǒng)，如圖5所示。當(dāng)參考支路的相位發(fā)生變化時(shí)，被測移相器支路的相移能自動(dòng)跟蹤它的

變化，并且保持兩個(gè)支路相位差在容差之內(nèi)。

完成了以上所有設(shè)計(jì)后，就已經(jīng)非常接近一個(gè)雙通道接收機(jī)的相位自動(dòng)均衡系統(tǒng)，這正是本次實(shí)驗(yàn)的目的。通過這樣層層任務(wù)設(shè)計(jì)，使學(xué)生從設(shè)計(jì)部件到設(shè)計(jì)部件檢測器，再到設(shè)計(jì)檢測系統(tǒng)，最后進(jìn)行綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這樣一個(gè)工程的鍛煉，逐步擴(kuò)展知識(shí)面、增強(qiáng)實(shí)踐能力，更進(jìn)一步貼近自己的專業(yè)，如圖6所示。

3? 實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程

作為課程的自選綜合實(shí)驗(yàn)之一，本文主要與課外興趣小組、電子設(shè)計(jì)競賽相結(jié)合，實(shí)施過程主要分為發(fā)題分組、課堂講授、設(shè)計(jì)制作輔導(dǎo)和驗(yàn)收測試四個(gè)階段。

3.1? 發(fā)布題目，分組階段

先發(fā)布實(shí)驗(yàn)信息、報(bào)名流程和相關(guān)要求，提前向?qū)W生提供設(shè)計(jì)任務(wù)書、有關(guān)知識(shí)要求和參考書目等。學(xué)生在充分了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求后自愿報(bào)名選做該實(shí)驗(yàn)題目。再根據(jù)報(bào)名的情況確定分組，每組成員3人。

圖6? 動(dòng)態(tài)相位檢測器結(jié)構(gòu)圖（Ⅱ）

Fig. 6? Structural chart of dynamic phase detector （Ⅱ）

3.2? 課堂講授

本階段主要在應(yīng)用背景介紹的基礎(chǔ)上，結(jié)合測角系統(tǒng)框圖說明相位自動(dòng)均衡系統(tǒng)中主要部件的作用，聯(lián)系實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)任務(wù)書，強(qiáng)調(diào)本實(shí)驗(yàn)課題的工程應(yīng)用特性，來激發(fā)學(xué)生的興趣。另外，還要詳細(xì)講解高頻電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，并且強(qiáng)調(diào)在保證測試精度的前提下，注重可實(shí)現(xiàn)性和可操作性。對自動(dòng)相位反饋系統(tǒng)，要綜合時(shí)間和條件等，優(yōu)先實(shí)現(xiàn)較簡單的系統(tǒng)。最后還要對時(shí)間節(jié)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告提出明確的要求。

3.3? 設(shè)計(jì)制作階段

首先要及時(shí)評估學(xué)生初級方案的可行性，根據(jù)現(xiàn)有條件，提出修改建議;然后輔導(dǎo)、檢查學(xué)生所設(shè)計(jì)電路的可行性、完整性，解答疑難問題。在學(xué)生制作調(diào)試過程中提供必要的元器件、儀器設(shè)備支持，并在中期開展分組討論、交流經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)對關(guān)鍵指標(biāo)的把握。

3.4? 驗(yàn)收測試

首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告的閱讀和評分，此外要進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)物性能測試，結(jié)合實(shí)驗(yàn)報(bào)告情況進(jìn)行綜合評分。最后還要進(jìn)行課題總結(jié)，組織學(xué)員演講交流。

4? 結(jié)? 語

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)涵蓋了多種相位處理電路，彌補(bǔ)了高頻實(shí)驗(yàn)相位處理電路的稀缺。同時(shí)結(jié)合了電子信息類專業(yè)特點(diǎn)，涉及雷達(dá)測角多通道接收機(jī)相位自動(dòng)均衡系統(tǒng)，工程實(shí)踐性很強(qiáng)。該實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)際的需求，層層設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，這樣逐步貼近了實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)高頻課程的興趣。此外，系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)方法具有多樣性，有助于擴(kuò)展學(xué)生的思路，使他們學(xué)會(huì)尋求多種方法解決問題。

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