多通道变频器技术说明书.docx

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多通道变频器技术说明书

项目编号ATS13XXX

密级内部

阶段Z

页数15

产品名称多通道一体化变频器设备

产品型号

文件编号

文件名称技术说明书

单位成都爱科特科技发展有限公司

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标审

批准

1概述

本文件描述了“多通道变频器”的设计思想和实现方法，并提出了“多通道变频器”设计中的关键技术和关键技术的解决途径。

同时对外形结构及工艺进行了说明。

编制依据和参考文献:

SJ20527A-2003《微波组件通用规范》

GJB1621.6-1993技术侦察装备通用技术要求设计制造要求

GJB1621.7-1993技术侦察装备通用技术要求环境适应要求和试验方法

《多通道一体化变频器设计任务书》

2设备要求

2.1主要功能

1）6通道一体化设计，3个上变频模块、3个下变频模块共用同一机箱；（单机最大8通道）

2）各变频模块前面板支持盲拔插结构；

3）各变频模块可独立遥控也可集中遥控；

4）各模块独立自检功能，故障显示上传；

5）各模块独立电源开关，设备不断电维护；

6）内、外时钟参考自动切换（10MHz）；

7）遥控接口标准：

RS232/RS485/RS422/TCPIP；

8）各模块面板具备电源指示、锁定指示、状态指示，并有输入、输出信号监视接口；

9）设备集中供电，双电源热备份。

2.2下变频模块技术指标

1）输入频率：

2000MHz～2400MHz

2）输出频率：

720MHz

3）输出带宽：

720MHz±20MHz

4）调谐步进：

≤1kHz

5）增益平坦度：

≤±1dB/40MHz

6）增益：

50dB可调，步进1dB

7）输出P-1dB：

≥10dBm

8）镜像抑制：

≥60dBc

9）杂散抑制：

≥50dBc

10）谐波抑制：

≥50dBc

11）噪声系数：

≤12dB

12）输入/输出驻波比：

≤1.5

13）频率稳定度：

优于1E-7/年（长稳），优于1E-10/秒（短稳）

14）相位噪声：

≤-75dBc/Hz@100Hz

≤-85dBc/Hz@1kHz

≤-95dBc/Hz@10kHz

≤-110dBc/Hz@100kHz

≤-115dBc/Hz@1MHz

15）输入输出射频接口：

SMA-50K

16）远程控制接口：

RS232/485（标准DB9接口）

2.3上变频模块技术指标

1）输入频率：

720MHz±20MHz

2）输出频率：

2000MHz～2400MHz

3）调谐步进：

≤1kHz

4）增益：

≥30dB可调，步进1dB

5）增益平坦度：

≤±1dB/40MHz

6）输出P-1dB：

≥10dBm

7）镜像抑制：

≥60dBc

8）杂散抑制：

≥50dBc

9）谐波抑制：

≥50dBc

10）噪声系数：

≤12dB

11）输入/输出驻波比：

≤1.5

12）频率稳定度：

优于1E-7/年（长稳），优于1E-10/秒（短稳）

13）相位噪声：

≤-75dBc/Hz@100Hz

≤-85dBc/Hz@1kHz

≤-95dBc/Hz@10kHz

≤-105dBc/Hz@100kHz

≤-115dBc/Hz@1MHz

14）输入输出射频接口：

SMA-50K

15）远程控制接口：

RS232/485（标准DB9接口）

2.4整机控制方式

本地：

LCD显示、键盘操作。

远程：

可通过RS232/485或RJ45对所有变频模块集中查询和控制，并各模块可独立通过RS232/485远程查询和控制。

2.5结构

标准3U机箱，颜色为计算机灰，机箱深500mm。

2.6供电

供电电压：

220VAC；

电源适应性：

220±22VAC，50±2.5Hz；

功耗：

不大于200W。

3整机关键技术

本设备为6路变频单元共用同一机箱，由同一控制单元控制。

在结构上模块支持盲拔插，可以从机箱前面板直接抽出更换。

机箱前面板有LCD屏及键盘用以显示及控制操作。

机箱后面板为射频和中频的输入、输出端口。

变频单元模块的前面板置射频检测、中频检测、自检指示、本振锁定指示和电源指示。

模块后面板有射频和中频的输入输出端口、低频及控制端口。

射频接头形式为BMA，可支持盲拔插。

低频及控制接头为DB9形式。

机箱内部有一转接板，与变频模块对插，再由电缆转接到机箱后面板。

机箱前面板布局如下。

图1机箱前面板图

机箱后面板布局如下。

图2机箱后面板图

机箱内部布局示意图如下。

图3机箱内部布局示意图

变频模块外形如下。

图4变频模块外形图

4变频模块关键技术

4.1下变频器模块设计

4.1.1模块设计原理

根据技术指标要求，变频模块的方案框图如下图。

图5系统方框图

射频输入信号经预选滤波器、开关、放大，再进入混频器与本振信号混频，下变频取720MHz中频信号，经滤波、数控衰减、放大、开关后到输出端口，并耦合一路中频信号到设备前面板作检测用。

设备具有闭环检测功能。

机箱内置2250MHz自检信号源，该自检源在不启动监测功能时处于休眠状态，监测功能启动时自检源激活，并同时将射频输入端的开关选通在自检信号源端口，输出选通在检波端口，自检中频通过检波器后由主控制单元进行A/D转换，显示自检中频输出电平，并判断整个通路是否工作正常。

自检信号源可由开关切换至每一路变频单元，可随时监测每一路变频单元是否正常。

电源模块完成DC/DC电源转换，为模块提供低纹波直流电压。

4.1.2指标分配及仿真

为保证噪声系数指标，前级放大器需选择低噪声放大器，增益15dB左右。

混频器也要选择高三阶混频器。

射频预选滤波器主要抑制射频以外的干扰信号。

本项目中频频率为720MH，镜像频率为560～960MH，射频滤波器对此频段抑制可达70dBc以上。

中频滤波器主要抑制变频产生的组合杂散。

无组合杂散都落在带内。

系统链路仿真如下图：

图6系统链路仿真图

由仿真图可以看出：

Gain=51dB；OIP3=32dBm；OIP2=37dBm；OP-1dB=16dBm；NF=5.8dB。

仿真结果都可以满足指标要求。

4.2上变频模块设计

4.2.1模块设计原理

根据技术指标要求，变频模块的方案框图如下图。

图7系统方框图

720MHz中频输入信号经预选滤波器、开关、放大、数控衰减，再进入混频器与一本振信号1920MHz混频，取差频1200MHz，再经滤波、放大后与二本振信号3200～3600MHz混频，取差频2000～2400MHz，然后放大、滤波、开关，到输出端口，并耦合一路射频信号到设备前面板作检测用。

设备具有闭环检测功能。

机箱内置1200MHz自检信号源，该自检源在不启动监测功能时处于休眠状态，监测功能启动时自检源激活，并同时将射频输入端的开关选通在自检信号源端口，输出选通在检波端口，自检中频通过检波器后由主控制单元进行A/D转换，显示自检中频输出电平，并判断整个通路是否工作正常。

自检信号源可由开关切换至每一路变频单元，可随时监测每一路变频单元是否正常。

4.2.2指标分配及仿真

为保证噪声系数指标，前级放大器需选择低噪声放大器，增益15dB左右。

混频器也要选择高三阶混频器。

中频预选滤波器主要抑制中频以外的干扰信号。

本项目采用2次混频方案，镜像频率为3.12GHz，中频滤波器对此频段抑制可达70dBc以上。

射频滤波器主要抑制变频产生的组合杂散。

其中1200MHz×2组合落在带内，但混频器对此杂散抑制有73dBc，满足指标要求。

其余无组合杂散都落在带内。

系统链路仿真如下图：

图8系统链路仿真图

由仿真图可以看出：

Gain=30dB；OIP3=29dBm；OIP2=32dBm；OP-1dB=15dBm；NF=10.8dB。

仿真结果都可以满足指标要求。

4.3闭环自检功能

该系统具备闭环自检功能。

模块内置一自检信号源，平时处于休眠状态，当启动自检功能时，由自检信号源作整个信道的输入信号，通过变频信道后输出，并送给主控单元进行检波处理，根据检波结果判断整个通道是否工作正常。

自检功能开启时，外部信号输入、输出处于关断状态，链路图如下。

图9闭环系统自检框图

4.4控制系统

整机的远控接口有RS232、RS485和网口三种方式，通过内部RS485控制总线集中对6个变频模块控制和查询其工作状态，也可分别对变频模块控制和查询。

图10控制系统框图

4.5参考源设计

设备设计1个外参考输入接口和2个内参考源，自动识别和切换内外参考源，在机箱内部实现放大、滤波和功分输出给各变频器模块，提供高频率稳定度、高相噪的变频参考，并每个变频模块具备一路参考输出，可提供给其他设备使用。

图11参考源设计框图

5软件设计

5.1系统框图

本系统主要由6个变频模块与一个主控单元（包括LCD屏和键盘）构成，其中各个变频模块内部都有一主控电路。

系统的控制方式分为遥控和本控。

本地控制采用对主控单元操作进行控制。

远控方式分为两种：

（1）主控单元接收遥控命令，再去控制相应的变频模块。

（2）变频器各个模块单独接收遥控命令。

系统框图如下：

图12软件系统框图

5.2地址识别

主控单元和6个变频器模块之间的级联采用RS485总线。

主控单元要识别每个不同的变频器模块，必须加入局部地址。

分案为：

每个模块加入三根地址线，每个模块对应三根地址线的状态为：

（1）001，

（2）010，（3）011，（4）100，（5）101，（6）110。

这样在变频器模块和主控单元之间进行数据传送时，采用局部地址加系统地址的方式进行数据传输。

图13模块地址识别方式示意图

当模块插入机箱以后，局部地址就已经固定，如第一个模块插入机箱后，局部地址为010，即十进制的02.主控单元与模块之间通信协议必须带上局部地址02.

举例：

主控单元接收到上位机遥控命令（设置251地址模块频率为7000M）：

“<251/FIN_7000.000“主控单元收到以后，调出内部存储的6个模块的系统地址，一一比较以后，与第二个模块的地址251匹配，于是启动总线发出命令“<251/2/FIN_7000.000”，6个模块同时收到“<251/2/FIN_7000.000”，进行匹配。

只有第二个模块的局部地址是02匹配正确。

第二个模块进行相应的频率控制。

同样模块向主控单元发送数据也须带上局部地址。

5.3主控单元

主控单元主控单元主要任务有三个：

（1）本地控制，

（2）接收远程遥控命令，（3）主控单元更新显示，三个任务并行执行。

程序框图如下：

图14主控单元程序框图

自检源频率为固定值，设置好需要自检的通道号，自检结果将在下面显示，中频功率显示自检的功率，控制器将根据结果进行判断是否正常，并将结果显示出来。

5.4变频器模块

每个变频器模块每部都有一个主控电路，主要实现三个功能。

1）接收主控单元的控制命令进行相应的控制；2）接收上位机对各个模块单独的控制；3）驱动变频模块。

程序框图如下：

图15变频模块程序框图

5.5设备自检功能

本系统具有故障自检功能，系统进入自检状态后，模块的输入信号切换到系统自带的自检信号源，经过变频通道后在输出端口进行采样，MCU将采样信号进行处理后，判断该通道是否故障，在自检状态下，模块无输出功能。

6系统可靠性设计

在总体设计方面，主要采取如下措施以提高设备可靠性：

a）采用模块化设计，各模块可以独立拆卸安装，便于维护，模块与模块之间用刚性50欧姆电缆连接，模块的控制、电源接口都用带锁扣的接插件，不会因振动或运输，让模块的接插件松动或接触不可靠；

b）模块内部选用高品质元器件，表面贴装工艺，集成度高，功耗低；

c）在电路设计上，选用经过实践验证的、比较成熟的电路，保证模块在电路上不存在问题；进行印制版设计时，充分考虑电磁兼容性问题，保证设备本身不受电磁干扰，同时也尽可能减少对其他设备的电磁干扰；

d）采用电源浪涌保护电路，防雷击损坏；

e）电源采用降功率使用，提高电源使用寿命；

f）EMC设计方面，考虑采用金属外壳屏蔽接地，内部采用高低频分离，高频电路采用金属屏蔽盒屏蔽，电源输入输出加滤波，电磁兼容性良好。