中波數字頻率合成激勵器基本原理及故障處理

周 瑩

（作者單位：國家廣播電視總局九五三臺）

1 頻率合成技術產生背景

振蕩器的作用是在各種電子設備中提供信號源，而信號源的不穩定(幅度、頻率)將嚴重影響電子設備的性能。例如在發射機中，若載波不穩將影響它的發射功率，最終影響收聽效果；若頻率不穩將不能實現信號的穩定接收，嚴重時受眾將無法收到廣播電視臺的廣播信號和電視信號，且頻率的偏移還要干擾鄰頻或鄰頻道的工作。在接收機中，振蕩頻率不穩將使混頻輸出的中頻頻率偏離規定值，而使中頻放大器失諧、增益下降，最終影響接收機的靈敏度；接收機振蕩的幅度不穩將使中頻放大器的輸入信號忽大忽小，也會影響接收的靈敏度。在微波通信和電視信號的傳輸中，若載波振蕩器頻率不穩將使邊帶信號移出通頻帶，造成信號嚴重失真或信號中斷；在測量儀器中，若振蕩頻率不穩將會造成較大的測量誤差。所以在各種電子設備中，對振蕩器的振幅和頻率穩定都提出了嚴格的要求。

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

2 頻率合成技術簡介

頻率合成（Frequency Synthesizer）指的是通過頻率域的線性運算，將一個或多個頻率精確度和穩定度很高的參考信號源，變換成具有同樣精確度和穩定度的大量離散頻率的過程。

實現頻率合成的器件叫作頻率合成器。作為一種振蕩源，頻率合成器將幾個高精度晶體振蕩器作為頻率標準，在某一頻段內，按照一定的頻率間隔，轉換出多種不同頻率的振蕩。

頻率合成按實現的方法不同，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高穩定度與準確度的標頻（通常用高度穩定的晶體振蕩器產生）[1]，經過混頻、倍頻器、分頻等技術實現對頻率的加、減、乘、除運算，產生大量的同一穩定度和準確度的不同頻率[2]。產生的這些頻率再經過濾波器濾波后輸出所需的穩定頻率。直接頻率合成法的優點是換頻速度快、分辨率很高，可達到微秒級的換頻速度，而且相位噪聲特性好[3]。缺點是雜散頻率多，易出現干擾，且設備龐大復雜，因而成本較高。

間接頻率合成法指的是輸出頻率來自電壓控制振蕩器的頻率輸出，而不是直接來自晶體振蕩器。這種方法采用鎖相環，利用相位同步原理使得電壓控制振蕩器輸出高穩定的標準頻率，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準頻率與電壓控制振蕩器輸出的信號進行相位比較，其輸出電壓經過低通濾波器加到電壓控制振蕩器的壓控元件上，隨時調整著電壓控制振蕩器的輸出頻率。間接頻率法的優點是成本低、體積小、噪聲小，缺點是頻率轉換較慢、分辨率不高。在現代通信測量設備中，主要采用的是間接頻率合成法。

3 頻率合成激勵器介紹

數字頻率合成激勵器是發射機的重要組成部分，其穩定性對同步廣播尤為重要[4]。在廣播通信的頻率合成技術中使用了數字集成鎖相環電路，使鎖相式頻率合成激勵器具有體積小、功耗低、換頻方便、頻率穩定度高等眾多優點。

中波頻率合成器的主要組成部分為頻率合成部分（包括標準晶振、固定分頻器、程序分頻器及鎖相環等）、隔離和功率放大部分、穩壓電源部分、輸出監測指示部分，方框圖如圖1所示。

圖1 頻率合成器方框圖

激勵器的基準頻率1 kHz是由5 MHz高穩定度晶體振蕩器經過隔離放大器和兩級固定分頻器得到的，其頻率穩定度可達1×10-7Hz/7日，頻率準確度可由電路中W3電位器調整。

數字集成鎖相環路主要由環路濾波器、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。它可以對基準頻率1 kHz和比較頻率1 kHz進行鑒頻鑒相。當兩個信號頻率不同相位有差異時，鎖相環路處于跟蹤調節狀態，直至兩個信號頻率差為零而達到相位鎖定。

程序分頻器由集成塊CD4522和KBP1-3撥盤開關等組成。

由可預置數的二-十進制1/N計數器的預置端按8.4.2.1碼(BCD碼)和面板上的撥盤開關KBP1-3直接配合，經撥盤開關轉換成十進制數碼顯示，預置頻率和換頻操作直觀方便。

鎖相環輸出經過BG2～BG6四級電壓放大，它們一般采用高頻管3DG120組成工作點穩定電路和射極輸出電路，末級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，其輸出經過調諧回路選頻后可達100 V高頻電壓輸出，小盒面板上并有電壓表給予指示。

激勵器內部裝有兩組穩壓電源，一組由W7812、W7815、W7824固定三端穩壓器產生三組不同直流電壓輸出，12 V專門供給5 MHz標準晶振，15 V供給BG1隔離放大器和IC1、IC2固定分頻器，24 V供給BG2 ～ BG6四級電壓放大器。另一組由可變三端穩壓器W350產生可調整輸出電壓供給末級推挽管3DA1，通過改變電路中W1電位器的阻值，可以改變激勵器的輸出大小，以滿足高前級所需的激勵要求。

激勵器還有頻率監測和輸出指示，監測采用一塊大規模集成塊ICM7216接成10 s閘門時間，8位數碼顯示，監測頻率精度可達0.1 Hz 。激勵小盒中裝有兩套獨立的晶振系統，通過人工控制繼電器達到相互倒換的目的。

4 頻率合成激勵器的故障處理

由于數字式頻率合成激勵器采用的半導體器件，集成塊多，線路較復雜，產生故障時隱蔽性較強，不易檢查。因此，在檢查中通過“直觀判斷法”，可以直觀判斷元器件有無變色，觸摸集成塊三極管溫度有無過熱，利用“儀表法”，用三用表檢測直流工作電壓；用示波器測量各級輸入、輸出波形等，逐級檢查，找出故障點。

4.1 KBP1-3型撥盤開關錯碼故障

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

KBP1-3型撥盤開關構造較復雜，它由轉盤、簧片、動刀片和印刷電路等組成，當外部轉動撥盤時，動刀片與內部的印刷板電路接通，這樣由轉盤上標有0 ～9的十進制數字通過內部轉換為BCD碼0000～1001輸出。

使用中一個撥盤開關只能代表一位十進制數，而在鎖相式頻率合成器中程序分頻必須設置個位、十位、百位和千位數，因此電路中使用4個撥盤開關與4只CD4522可編程計數器相級聯，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

運行中有一次發現頻率合成激勵器在預置頻率為765 kHz時，而輸出的頻率顯示則為855 kHz，偏差達90 kHz。追查故障時，測量發現十位數的撥盤開關K2在預置6時，本應輸出BCD碼為0110，而實際輸出為1111，說明撥盤開關內部有錯碼，造成輸出異常。由于十位上K2開關預置6而實際產生的數碼輸出為15，BCD碼又是十進制，這樣在十位上顯示5而在百位上使原來的7升到8，對應頻率顯示即為855 kHz。

KBP1-3型撥盤開關由于無法拆開處理，應急處理時，人工強制使K2開關輸出的編碼8和1斷開，即圖2中A和B點斷開，使IC6的輸入碼為0110，開機試激勵器工作為正常765 kHz。

KBP1-3型撥盤開關在長期的使用和操作中，常會出現一些如接觸不良和錯碼的故障，造成激勵器頻率偏移，工作異常。處理時如果無同型號開關更換時，可以人為地對錯碼開關輸出進行“置0”和“置1”的修正，保證其輸出BCD碼正常。在中波不換頻的機器上使用其法，效果穩定可靠。

4.2 單相橋式整流器XQL-200V/6A擊穿故障

激勵器的 + 24 V和 + 35 V整流電源中使用了2組XQL-200V/6A單相硅橋，運行中斷續出現開機時，硅橋擊穿的故障輕則斷保險，嚴重時引起電源變壓器燒壞。工作人員在處理時選用了反壓稍高的新硅橋KBPC-250V/6A代用，經過運行工作穩定可靠。

4.3 集成穩壓LM350性能不好故障

激勵器中供給末級功率放大管BG8的集電級工作電壓由可調集成穩壓LM350提供。當改變W1電位器阻值時，LM350輸出的直流電壓發生變化，這樣就使BG8集成極電壓升高或降低，它們輸出的高頻激勵大小就發生改變，可以調整高頻放大器前級FU-728的輸入激勵大小。

在運行維護中，出現備份激勵器輸出信號時有、時無的故障，檢查時，懷疑是電位器接觸不良，更換過W1，更換過輸出BG7、BG8兩個功率放大管，更換過輸出調諧線圈等都未能排除故障；最后在更換穩壓電源集成塊LM350后，故障排除，檢查換下的集成穩壓塊直流電阻，與正常相比無異態，估計是內部性能不好。

4.4 前置放大管BG4、BG6極間開路的故障

工作中出現主用激勵器停振無輸出，故障檢修時，發現前置電壓放大級BG3輸出高頻電壓10 V正常，而經過BG4射級輸出后，電壓下跌為約1 V，輸出不正常。按射級輸出器放大倍數約為1，輸出應在10 V左右。檢查BG4放大管時，發現是管子集電極與發射極和基極間全開路，失去放大作用所致，更換一個3DG12B管后工作正常。

在備份激勵器的運行中也出現過因射極輸出放大級BG6管子的發射極與基極間開路的故障而引起無輸出，通過更換管子后工作正常。

4.5 集成塊CD4046、CD4518擊穿故障

激勵器中任意一個集成塊損壞時，都會造成無信號輸出，作為固定分頻器CD4518損壞時，測量IC2的14腳無基準頻率1 kHz輸出。鎖相環CD4046損壞時，其4腳無765 kHz信號輸出。在通電檢査時，用手觸摸其損壞的集成塊可以發現特別燙手，更換后故障即可排除。

4.6 輸出槽路電容C24失效故障

運行中發現主用激勵器中右路輸出指示電壓表嚴重偏小，為幾V，而正常輸出值應在88 V左右。在對故障的檢査中，從前向后逐級追查中，查到末級功放輸入倒相變壓器初級端輸入高頻電壓均正常，變壓器次級的兩級輸入3端和6端也正常。檢査功放BG7和BG8中心點輸出高頻峰值為40 V，偏小。經過調諧線圈后主備路B端輸出明顯偏小僅為幾V。懷疑輸出回路內有短路現象。在對照檢査主備路B端對地直流電阻值時，左路正常的阻值為100 Ω，右路異態的阻值為50 Ω。再拆下電容C23和C24時，發現C24電容阻值為110 Ω左右，用DL-6243數字式電感電容測試表檢查電容量全無，判定電容失效。處理時換上一個220 pF電容重新調諧L1線圈后激勵器右路工作正常。

由于數字頻率合成激勵器中使用的集成塊，半導體管、阻容器件多，線路結構緊密復雜，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變色變形或燒痕，用手觸摸管子和集成塊等溫度有無過熱，然后再用示波器和三用表檢查各級的輸入輸出波形和直流工作點，最終查出故障予以排除。

5 結語

本文介紹了中波發射機中頻率合成技術的應用，并對數字頻率合成激勵器出現的故障原因和維護經驗進行分析[6]，可以有效縮短排查處理故障的時間，保障安全播音。