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引言 在變?nèi)?a href="http://www.qingdxww.cn/keyword/二極管" target="_blank" class="relatedlink">二極管調(diào)頻電路中，載頻頻率的不穩(wěn)定性主要由溫度變化、電源電壓變化、負(fù)載阻抗變化等因素引起的。可以通過(guò)減少外界因素的變化來(lái)提高頻率穩(wěn)定度，如采用高穩(wěn)定度直流穩(wěn)壓電源來(lái)減少電源電壓的變化，采用金屬屏蔽罩減少外界電磁場(chǎng)的變化，或者提高諧振回路的標(biāo)準(zhǔn)性，如采用參數(shù)穩(wěn)定的回路電感器和電容器，采用溫度補(bǔ)償法，改進(jìn)安裝工藝，減弱振蕩管與諧振回路的耦合。 在以上這些措施中，溫度補(bǔ)償法得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是在軍工產(chǎn)品方面，為了滿(mǎn)足產(chǎn)品在高、低溫環(huán)境下的工作性能要求，常常通過(guò)溫度補(bǔ)償法來(lái)減少溫度對(duì)產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)的影響。在變?nèi)荻䴓O管調(diào)頻電路中，控制變?nèi)荻䴓O管的反向電壓的輕微變動(dòng)會(huì)導(dǎo)致頻率偏移，在電路設(shè)計(jì)中，載頻受溫度變化的影響，通常規(guī)律是溫度升高時(shí)頻率變高，溫度降低時(shí)載頻瞬時(shí)起振頻率偏低。如何兼顧高低溫時(shí)的頻率偏移，本文提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的補(bǔ)償電路，很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。 溫度補(bǔ)償?shù)睦碚摲治龊湍Ｐ?/strong> ● 變?nèi)荻䴓O管調(diào)頻電路的分析 變?nèi)荻䴓O管的調(diào)頻電路如圖1所示，在電路中，載頻受溫度的影響，通常規(guī)律是負(fù)的溫度系數(shù)，即溫度升高時(shí)頻率變低，可以用具有負(fù)溫度系數(shù)的電容來(lái)補(bǔ)償。補(bǔ)償用電容是C6、C12、C18，所用溫度系數(shù)組別是C組。C9、C10、C11對(duì)失真度有較大的影響，可以選用一定溫度系數(shù)電容來(lái)對(duì)失真度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，由于頻率高、分散性大，沒(méi)有較確切的規(guī)律可循，一般要靠試驗(yàn)確定，改變范圍通常不宜過(guò)大，以調(diào)高或調(diào)低一擋為宜，個(gè)別電容可以改變到兩擋。電感L2、L3、L4采用在高頻陶瓷骨架上燒滲銀制成的溫度系數(shù)小、損耗小、Q值高的電感線圈，其Q值大于200，溫度系數(shù)可達(dá)(1～5)×10-7/℃，防振性能好。另外還加了一個(gè)聲表面波延遲線以對(duì)準(zhǔn)頻率，有時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生自激，首先要找準(zhǔn)自激發(fā)生在哪級(jí)，然后在該級(jí)回路中并以恰當(dāng)?shù)?a href="http://www.qingdxww.cn/keyword/電阻" target="_blank" class="relatedlink">電阻。采用了以上措施，在常態(tài)下，調(diào)頻電路的載頻穩(wěn)定度小于10-6。 一般情況下電感具有正溫度系數(shù)，而電容根據(jù)不同介電材料，其溫度系數(shù)可正可負(fù)。因此，選擇合適的具有不同溫度系數(shù)的電感和電容，同時(shí)接入諧振回路，從而使因溫度變化引起的電感和電容值的變化互相抵消，使回路總電抗量變化減小。實(shí)際上，由于電感、電容大小隨溫度變化的非線性和晶體管極間電容和其他分布雜散電容的影響，在高低溫時(shí)，頻率的偏移往往較大。由此，考慮用可控制的電容變化抵消不確定的電感、電容變化。變?nèi)荻䴓O管上的電壓包括直流電壓和調(diào)制信號(hào)電壓，通過(guò)控制直流電壓即可達(dá)到目的。 ● 溫度補(bǔ)償理論 要提高頻率穩(wěn)定度，回路的標(biāo)準(zhǔn)性越高越好。 設(shè)回路的總電感為L(zhǎng)，總電容為C，回路的諧振頻率為 若溫度變化引起L和C的微小變化分別為L(zhǎng)和C，則W的變化量為 即 設(shè)電容量和電感量的相對(duì)變化值用βc和βl表示，則 要提高頻率穩(wěn)定度，則必須是(βc+βl )的值越小越好，或者使βc、βl的數(shù)值符號(hào)相反，相互抵消。 在變?nèi)荻䴓O管調(diào)頻電路中，變?nèi)荻䴓O管上的電壓變化直接影響到頻率的變化。通過(guò)電壓控制電容的變化以抵消電感的變化。而變?nèi)荻䴓O管上的電壓在不同溫度狀態(tài)下，差異很大。其電壓—溫度曲線如圖2所示。 采用一般的電阻串、并聯(lián)不能達(dá)到如此大的電壓差異，需引入正溫度系數(shù)(PTC)的熱敏電阻。正溫度系數(shù)熱敏電阻材料主要有BaTiO3系陶瓷。BaTiO3熱敏電阻器典型的阻溫曲線如圖3所示。可以看出，電阻率ρ首先隨溫度的升高而下降，當(dāng)溫度達(dá)到Tmin時(shí)，電阻率ρ達(dá)到最低值。之后ρ隨T的升高而升高。當(dāng)溫度達(dá)到Tb以后，ρ隨溫度急劇升高，這一溫度稱(chēng)為開(kāi)關(guān)溫度。溫度為T(mén)m時(shí)，電阻溫度系數(shù)達(dá)到最大值，這時(shí)ρ與T幾乎成直線關(guān)系。達(dá)到Tp之后，曲線彎曲，電阻溫度系數(shù)迅速降低。當(dāng)溫度升高到Tmax之后，ρ重新隨溫度升高而降低。尤其要注意在居里溫度以上，勢(shì)壘急劇升高，電子躍遷變得困難，阻值劇增幾個(gè)數(shù)量級(jí)以上的PTC現(xiàn)象。這時(shí)通過(guò)熱敏電阻分壓后到達(dá)變?nèi)荻䴓O管的電壓會(huì)突然變小，因此設(shè)計(jì)中要消除或盡量減小PTC現(xiàn)象對(duì)電路的不良影響。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，即可使變?nèi)荻䴓O管上的電壓在不同溫度狀態(tài)下都得到滿(mǎn)足。 ● 溫度補(bǔ)償?shù)碾娐纺Ｐ?br /> 綜上所述，電路模型如圖4所示。 在電路中，當(dāng)溫度升高，熱敏電阻R7阻值變大。串并聯(lián)電路(R5+R7)||R6的阻值變大，分壓后加在變?nèi)荻䴓O管上的電壓減小，當(dāng)溫度降低，(R5+R7)||R6的阻值變小，分壓后加在變?nèi)荻䴓O管的電壓增大。變?nèi)荻䴓O管上的電壓變大變小的范圍主要由R5、R6、R7調(diào)節(jié)，電阻R3、R4、R8、R9進(jìn)行微調(diào)。一般情況下，R5、R6的阻值要小于熱敏電阻在常溫時(shí)的阻值，這樣才能使變?nèi)荻䴓O管上的電壓在高溫時(shí)電壓下降不多，低溫時(shí)顯著下降。考慮到熱敏電阻的非線形和個(gè)體差異，使用的每一個(gè)熱敏電阻都要測(cè)出其阻溫曲線圖。另外，基準(zhǔn)電源是用穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路代替的，受溫度影響基準(zhǔn)電源也會(huì)有輕微變化，把以上變化綜合考慮后代入專(zhuān)門(mén)的軟件算出R1、R2、R3、R4、R5、R6、R8、R9的阻值。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 變?nèi)荻䴓O管電路采用以上的溫度補(bǔ)償電路后，把調(diào)頻電路后接電壓放大和功率放大電路放入高低溫箱觀察，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表。 表 變?nèi)荻?jí)管電路的頻率隨溫度、時(shí)間變化的測(cè)量結(jié)果
由于功放部分采用大功率三極管，整個(gè)電路本身發(fā)熱嚴(yán)重，加上電路的耦合影響，對(duì)調(diào)頻電路提出了更高的要求。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，低溫時(shí)，頻率在前15分鐘有偏移，在高溫時(shí)，后15分鐘有偏移，這是正常的。在低溫時(shí)，振蕩器起振后，元器件參數(shù)隨溫度變化不穩(wěn)定，工作10～15分鐘后，電路將穩(wěn)定下來(lái)。在高溫后15分鐘，由于大功率三極管發(fā)熱嚴(yán)重，整個(gè)電路的溫度上升很快，導(dǎo)致頻率有輕微偏移。在高低溫狀態(tài)下，最大溫度偏移小于0.001kHz，非常接近理論計(jì)算值。 結(jié)束語(yǔ) 理論上用本文提到的溫度補(bǔ)償法可以使載頻保持不變，實(shí)驗(yàn)表明在低溫的開(kāi)始階段和高溫的最后階段頻率有偏移，如果使用兩個(gè)熱敏電阻補(bǔ)償電路則可以使這兩端的頻率偏移消除，但是這種補(bǔ)償電路的算法很復(fù)雜。在保證頻率穩(wěn)定度足夠高的前提下，這一溫度補(bǔ)償法簡(jiǎn)潔、實(shí)用，在通信、電子產(chǎn)品有著廣泛的應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn)： 1 Andrew M. Abo and Paul R.Gray. A 1.5-V,10-bit,14.3-MS/s CMOS Pipeline Analog-to-digital Converter [J].IEEE Journal of Solid State Circuits, vol. 34, pp.599-605, May 1999 2 Paul C. Yu and Hae-Seung Lee. A 2.5-V, 12-b, 5-Msample/s Pipelined CMOS ADC [J].IEEE Journal of Solid State Circuits, vol. 31,pp.1854-1861, December 1996 3 Jun Ming and Stephen H. Lewis. An 8-bit 80-Msample/s Pipelined Analog-to-digital Converter With Background Calibration [j].IEEE Journal of Solid State Circuits, vol. 36, pp.1489-1497,October 2001 4 黃忠霖.控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真[M].北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2001 |
