真空与固态中波发射机基本原理类比解析

摘 要 随着电子科学技术的发展，广播技术设备得以不断的更新换代，就中波发射机而言，已由真空电子管发射机完全更新为固态场效应管发射机。本文通过对两类发射机的基本原理的解析，深入阐述了电子新技术在广播设备中的应用，不仅提高了设备的电声指标，更重要的是提高了设备的安全可靠性。

关键词 频率合成；功率合成；模数转换；数字调幅

中图分类号G22 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2015）130-0138-04

0 引言

随着广播播出技术的不断创新和发展，中波发射机从60年代的完全真空电子管化已逐渐过渡到场效应管全固态化，电子管发射机被完全淘汰，成为了历史。但其设备结构和工作原理对现今的场效应管固态中波发射机原理的理解有着重要的指导意义，虽然固态发射机结构复杂，但万变不离其宗。本文试想用电子管发射机工作原理类比解析一下场效应管发射机的基本原理，以期对固态发射机工作原理的理解有所帮助。仅以电子管屏调机和TSD-10中波数字调幅广播发射机为例进行探讨解析。重点是对数字调幅广播发射机基本工作原理及新技术应用作深入的分析和探讨。

1 中波发射机系统结构基本原理类比解析

两种不同类型发射机其基本结构是雷同的，从核心部分信号通道来讲，都是由高频（载频）和低频（音频）两部分构成，所完成的任务都是在末级将音频调制到载频上，让载频幅度随音频信号变化形成调幅载波，再馈送到天线全向辐射形成空间电磁波，供终端接收。

服务于核心部分的从属结构都是由建立工作状态的电源部分和保证正常工作的控制部分及故障检测安全处理部分所构成，只是各部分构成的复杂程度和采用的电路技术不同而已。

1.1 高频系统结构原理

都是由射频激励器产生单频载波，经缓冲放大、推动放大、末级功放等各环节获得额定载波功率。所差异不同的是，电子管发射机的各级放大采用的是功率等级不同的电子管，而场效应管发射机的各级放大是采用结构相同数量不同的功率放大器板块构成。各级放大器的负载都是具有谐振特性的选频型负载。只是级间信号耦合电路有点差异，电子管是采用组容耦合方式，场效应管采用分配器耦合方式，目的都是为满足下一级对输入信号的要求。

对电子管放大器而言，由电子管自身的结构特点，本身的极间电容不可忽视，电路组件体积较大，分布电容也不可小视，高频工作容易引起自激振荡，因此，放大器中电子管输入端的栅极和输出端的屏极都加有防振电路，屏栅极间加有中和处理电路。其次，电子管放大器的工作状态设计为甲、已、丙等不同类型，为方便调整和监测电子管的工作状态，各级都接有阴流表，末级为调谐需要加有栅流表。因末级调谐的重要标志是阴流最小值和栅流最大值同时出现。

对场效应管放大器来说，就很简单，放大器板块电路结构是完全相同的，都是工作在开关状态，只要激励信号足够，无须状态调整，工作非常可靠稳定。

在高频通路中场效应管发射机采用的先进技术其一是激励器中的频率合成技术，其二是末级功放中的功率合成技术。不同于电子管发射机激励器单频率单晶体，末级单管完成功率放大。

对频率合成技术来说，主要是采用标准频率为4.608MHz，频率稳定度为1×10-8的高稳晶振，通过分频技术进行512次分频得到高精度的9kHz基准频率信号，即中波频段的间隔频率，再利用倍频技术得到标定的发射频率，为使发射频率稳定度同于高稳晶振稳定度，采用了锁相于基准频率的锁相环技术。

对功率合成技术，主要是根据电路叠加原理，重要的是各功放板块输入信号的频率和相位要相同，相位误差要小于2°，因此结构上要保持高度的一致，才能保证输出功率合成的效果。具体的功率合成是通过合成变压器实现的，变压器初级是48只绕有功放板块负载线圈的磁环构成电压叠加合成，次级是一根贯穿48只磁环的直径为20毫米的铜杆构成电流叠加合成，从而实现发射功率的合成。

1.2 低频系统结构原理

音频部分两者对信号的处理方式有所不同，电子管是用甲类、甲已类、已类等推挽放大器四级连续放大的处理方式，将音频模拟信号放大到与载频电压相同的数量级。用此高数量级的音频电压去改变高频末级电子管的屏极电压，以实现载波的调幅。具体电路是通过音频调幅电压与高频末级电子管屏极电源电压串联实现的。因此在100%调幅时高频末级电子管屏极承受的电压是载波状态的两倍。工作中发射机极易过调掉高压，值机人员工作压力较大。

场效应管发射机音频部分对信号的处理方式是用量化编码的数字处理方式，量化取样信号频率由发射机射频取样获得，同时作为量化信号通路的选通时钟脉冲信号，为确保末级功率放大器的开关切换在高频信号的0点，取样信号作了矢量叠加移相处理，通过取样信号的同步控制，将0-5v低幅度音频模拟信号的时时幅度通过模数转换器转换为12位数字信号，用以时时开通相应数量的末级功率放大器，实现载波的调幅。就数字信号而言，每一位数字信号表现形式都是0和1两种状态，但不同位置的1代表不同的信号幅度，有其不同的位权，如果直接用12位数字信号来调制，则需要有12种位权的不同功率等级的功率放大器，实现起来较为复杂有难度。问题的解决是对12位数字信号进行编码处理，低6位编码是直接开通6种不同权位等级的功率放大器，就是说6位数字中哪位是1就开通对应权位等级的功率放大器，有几位是1就开通几个。高6位数字信号编码是开通满足数字信号数值要求的相同功率等级不同数量组合的功率放大器，就是说高6位数字信号的数值是多少，就开通多少个功率相同的放大器。此编码功能是通过8位只读存储器实现的，6位数字信号作为存储器的读信号，存储器输出与数字信号数值相等的位数信号，其对应关系数据是事先固化在存储器内的。高6位数字信号全1可开通63个功率放大器，此时对应140%调幅，因此实际发射机只用了42个大台阶功率放大器。通常低6位功率放大器称为小台阶功放单元，高6位功率放大器称为大台阶功放单元。一个大台阶功放的输出功率等于6个小台阶功放全部开通输出功率的总和。因此，随着音频幅度的增加，只有小台阶全部开通后才会开通一个大台阶。

在实际电路中，所有小台阶和大台阶功放单元的电路结构都是完全相同的，提供不同等级功率是靠功放单元负载线圈也就是功率合成器初级磁环绕组圈数的不同和功放单元供电电压的不同实现的，其中大台阶功放单元工作电压为230V，小台阶1/2，1/4，1/8，1/16功放单元工作电压为115V，小台阶1/32，/164功放单元工作电压为30V。对小台阶单元来说，磁环绕组圈数越多则功率越小，对大台阶单元来说，磁环绕组圈数是完全相同的。

音频编码控制信号对功率放大器的开通与关闭是通过对功率放大器板块上的双极性开关电路的控制完成的。功率放大器是由四个功率MOS场效应管组成两个半桥，负载桥接于两半桥输出端的桥式开关放大器。每个半桥是由一个接电源一个接地的两个场效管串联中间输出端接负载构成的半桥开关放大器，其工作原理是两管的栅极输入相位差180°的开关激励信号，使接源与接地两管交替导通与截止，若负载的另一端接地，负载上可得到幅值等于电源电压的单极性方波输出信号。若负载接于两半桥输出端构成全桥工作方式，在一个半桥的接源管与另一半桥的接地管两管的栅极和两半桥的另外两管的栅极输入幅度相同相位差180°的方波激励信号，使四管两两同时交替导通与截止，负载上可得到幅值等于二倍于电源电压的方波输出信号。功率放大器板块上的双极性开关电路对放大器的开关控制是通过对功率放大器两个半桥接地场效应管的栅极输入信号的控制实

现的。

栅极信号通过开关电路导通接地，栅极输入信号为0，则功率放大器关闭，栅极信号正常输入，则功率放大器开通。

1.3 辅助电路原理结构

为使发射机工作的安全和广播节目电声指标的提高，各自都做了大量的辅助电路设计以改善设备的性能指标。

1）低频信号处理电路。

主要解决音频信号处理过程中的失真问题，力求失真越小越好，其次是带宽问题，尽量减小带外发射，以免干扰邻频道，再就是平均调幅度问题，尽量提高平均调幅度，以提高接收响度，确保覆盖区域有效收听。

对电子管发射机而言，主要采取的措施是，在输入端增加一级限放，对高电平信号压缩一点，低电平信号提升一点，以保证平均调幅度，同时可降低发射机过调状态，有利于安全播出。为减小失真，在放大处理过程中，采用了内外反馈电路措施，同时加入高频切削电路，以限制带外频率信号的放大。以确保发射机的电声指标。

对场效应管发射机来说，主要采取的措施是，音频信号输入首先通过贝塞尔滤波器经过低通限幅处理，滤除带外频率成分，确保音频带内信号平稳，经过过压保护平衡放大后，进行平衡到不平衡转换为单极性信号，以利于量化处理。为减小失真，采用了辅助数字增长技术，在量化处理过程中，在音频信号上附加了很小幅度（5mv）的72kHz三角波抖动信号，以改善量化误差所允许的最小量化电平的不确定性，保证音频信号在量化过程中出现接近最小量化电平时开通最小功放，使最小量化电平有四舍五入的量化效果。进一步增加了量化分辨率，可提高1bit～2bit，从而提高了信号的保真度。

同时，在抖动信号中又加入了大台阶反馈信号，用来同步三角波抖动信号，大台阶同步信号来于音频模数转换高6位数字信号经数模转换为模拟信号后，再经放大、低通滤波、缓冲放大、微分、倒相缓冲放大处理得到的不连续的很小幅度的正负三角波脉冲。大台阶数目增加得到正脉冲，此时，如果抖动三角波处于上升沿，则继续上升，若抖动三角波处于下降沿，则大台阶同步脉冲强迫抖动三角波立即变为上升沿。当大台阶数目减少时得到负脉冲，此时，如果抖动三角波处于下降沿，则继续下降，若抖动三角波处于上升沿，则大台阶同步负脉冲强迫抖动三角波立即变为下降沿。目的是在音频变化上升期间，可以保证此转换周期开通的大台阶，下个转换周期不会关闭，同样，在音频变化下降期间，保证此转换周期关闭的大台阶，下个转换周期不会开通。使得小台阶盈亏转折到大台阶有一个平滑过渡。

显然，问题是由最小量化台阶是1还是0的不确定引起的。由发射机资料可知，音频范围是10Hz-10KHz，量化取样频率范围是410kHz～820kHz，通常是用发射机自身的发射频率经取样移相分频整形处理后，作为音频量化取样时钟脉冲，是音频信号最高频率的几十倍，远远超过取样定理界定的大于等于取样信号最高频率的2倍，就是说对于最高音频信号一周期内取样转换可达40-80次，低频会是几百次转换，因此，在音频信号变化的上升或下降期间出现由小台阶变化转折到大台阶变化是必然的转换过程。可知此过程是在小台阶由0级逐渐增加变化到64级才增加一个大台阶，或者是小台阶由64级逐渐降低变化到0级才减少一个大台阶，此过程的转换是开通一个大台阶的同时要关闭所有小台阶，或是关闭一个大台阶的同时要开通所有小台阶，在此过程中开通与关闭功率放大器的数量是最多的。显然是小台阶量化变化的一个周期性过程。再此转换过程中，由于最小量化台阶的不确定性，易于在前后转换周期间发生翻转，会产生一个较大的转换脉冲，形成载波噪声，因此，为确保小台阶到大台阶转折点的平滑性，加入大台阶同步信号是至关重要的音频处理措施。

2）高频系统辅助电路原理。

主要是对载波输出功率大小和稳定所采取的技术

措施。

对于电子管发射机来说，载波输出功率取决于末级屏压及前级推动功率，是固定的，状态的稳定取决于负载槽路的调谐，失谐会影响功率的输出，因此，对电子管发射机必须时时观察其工作调谐状态，发现异常及时调整。这是由于电子管自身的工作参数随使用时间的推移而变化的必然结果，直至最后被淘汰。

对场效应管发射机而言，输出功率取决于功放单元开通的多少，如前所述，取决于音频信号数字量化后数值的大小，若数值为0，则输出功率为0，若数值全为1，则输出功率最大，显然是一种浮动载波形式，它不利于覆盖边界区域的接收，需要有一个固定的接收载波。在实际原理电路中，是通过在音频信号中加入一个直流信号实现固定载波功率的，其直流电压信号的幅度为0.75V，是音频信号最大幅度的1/2，此直流电压通过一可调电位器调整控制，这样在音频信号为0时，会有固定的直流量化台阶开通功率放大器，输出固定的载波功率。到此来说，在音频通路量化处理过程中被量化处理的信号是一个复合信号，即音频+直流+抖动三角波+大台阶同步信号，各有不可替代的功能和作用。

为保证发射机输出功率的稳定和对发射机功率的调整，增加了模拟除法器和数字控制电位器，两者都是加在直流信号之后。模拟除法器受外电取样信号控制，外电正常取样信号为5.1V，模拟除法器输入与取样信号作除法运算自动调整输出，外电电压变高，模拟除法器输出相应变小，从而减少功率放大器开通个数，反之外电电压变低，模拟除法器输出相应变大，从而增加功率放大器开通个数，使发射机输出功率保持在固定的功率上。起到自动功率补偿的作用。可使外电电压在标称值380V的±10%范围变化时，发射机的载波功率保持基本不变。数字控制电位器受由控制电路产生同时锁存在寄存器中通过电平转换电路处理的12位BCD数字信号控制，也就是由3个字节构成的10进制编码信号，产生对输入信号0.000～0.999的倍率调整，从而实现对发射机输出功率大小的调整与控制。

1.4 电源电路原理结构

发射机电源电路的功能就是为所有工作电路提供正常的工作电压，并要具备自我保护功能，同时也是对工作电路的安全保护，一般都设有短路、过流、过压、缺相等保护电路措施，以保证电源电路的工作安全。

电源电路的组成是根据工作电路所需工作电压的要求设计的，不管是电子管还是场效应管发射机，都分为高压和低压两部分。高压电源都是为末级功率放大器提供工作电压，其它工作电路都是由低压电源提供工作电压。所不同的是电压量值及量级分组不同而已。

对高压电源来说，电子管发射机高压电源采用的是通常的三相全波整流电路，而场效应管发射机高压电源采用的是十二相整流电路，由两组三相桥式整流电路叠加而成，次级两绕组分别接成星形和角形，显然，角形绕组线电压与星形绕组相电压同相，根据矢量合成法则可知星形绕组线电压比角形绕组线电压相位超前300，由于每个绕组经桥式全波整流可输出相位差600的6相脉动电压，因此，两组整流串联叠加合成可得相位差300的12相脉动电压，滤波后不仅得到高一倍的直流电压，更重要的是纹波频率比通常三相全波整流提高一倍，为600Hz，有利于电源的滤波效果，更加有效地消除电源哼声造成的整机噪声，使设备的电声指标得到明显的提高。

对低压电源来说，电子管发射机采用是普通的整流滤波电路，而晶体管发射机的低压电源都加入了串联稳压调整电路，提高了电源的工作稳定性。同时，为进一步提高高低频电路的工作稳定可靠性，各增加入了一组自动调整电源。

在高频通路中，由于场效应管发射机末级功放单元为开关放大器，需要有足够的推动功率，才能有效地工作在开关状态，因此，对推动级工作电源作了特殊处理，推动级的三块功放板，其中两块工作电压为固定的115V，一块采用自动调整电源供电，其电源受推动功率取样电压控制。电压在40～115V范围内调整，推动功率高，则电源电压下降，推动功率低电源电压上升，以动态补偿由末级功放损坏及外电源波动等因素造成推动负荷变化的影响，以获得稳定的推动电平。

在低频通路中，编码输出的开关信号是通过48个驱动器到48个末级功放单元的双极性开关电路，驱动器输出低电平（-2～-5V）末级功放开通，驱动器输出高电平（+4～+4.8V），末级功放关闭，其开关信号是过0的正负双极性信号。由于开关数量是随调制信号的幅度而变化的，也就是驱动器的负载是变化的，在正峰调制时，开通的多，负峰调制时，开通的少。开通多时负载加重，造成驱动器工作电压的跌落，使输出的开关电平异常，末级功放的开关电路不能可靠工作，出现开关时差，产生调制噪声，为此，对驱动器工作电压进行动态调整，-5V开通电源加入了低频调制控制信号，使其随调制信号而变化。以动态补偿驱动负载变化的影响，以使驱动器输出稳定可靠的驱动开关信号电平。

1.5 控制与安全保护电路原理解析

所谓控制电路就是发射机的开关机控制，两者基本上是相同的，都是先开低压，再开高压，开高压也都是分两步走，先上半压，延时一段时间再上全压。目的都是对放大器有一个预热与适应的过程，以减少或避免瞬时过高电压对管子造成的连极或击穿等损坏事件。

对场效应管发射机来说，除对工作电压的控制外，还对发射机输出功率进行控制，一是分高、中、低功率开机选择控制，二是对输出功率的升降控制，都是采用数字计数器产生十进制数字信号通过对前面所述的数字控制电位器的控制与调整实现的。这给设备的使用带来了极大的灵活性。

关于安全保护电路方面，主要是对人身及高电压大电流工作器件的安全保护，重点是电源与末级电路。电子管发射机仅设计了高频末级和调幅末级的过流保护电路，一旦过流，就关高压，因此，发射机瞬间过流掉高压是经常的事，值机人员必须时刻关注。而场效应管发射机在安全保护电路设计上对高低频通路的各个环节的供电及信号的存在与否和质量都给予了关注。一旦出现异常迅速作出相应处理，如关机、关功放、降功率、故障点显示等。由于场效应管发射机功率放大器工作电压稳定，输出功率由放大器开通数量决定。因此，很少有过流现象发生，工作非常稳定。

2 结论

通过对电子管发射机与场效应管数字调幅发射机基本原理的解析，其基本原理是相通的，都是由高频、低频、电源、控制与安全等四部分主体电路构成的，只是对音频处理的方式不同，输出的已调波还是一样的，都是模拟调幅波，没有实质性的变化，显然，场效应管数字调幅发射机只是采用数字调制处理方式的调幅广播发射机，并非数字化调幅广播。但场效应管发射机电路构成采用的电路技术具有现代技术先进性，如频率合成技术、开关放大技术、功率合成技术、数字编码技术、数控调整技术、电源自动跟踪调整技术、无触点开关逻辑控制技术、故障取样处理显示技术等，特别对控制与安全保护方面考虑的更全面、更完善，操作更简单、更安全，发射机工作更稳定、更可靠。了解和掌握发射机的基本工作原理是本职工作人员的首要问题，对设备的使用和维护起着至关重要的作用。在设备故障面前可以迅速作出判断，缩短处理时间，降低设备故障停播率，对做好安全播出具有重要的现实意义。

参考文献

[1]陈晓卫，蒋泽汉.全固态中波广播发射机使用与维护[M].中国广播电视出版社，2002.

[2]吕丽.TSD-10中波全固态数字调幅发射机原理及特点[J].甘肃广播电视，1999（2）.

[3]刘忠达.中波广播技术[M].东北大学出版社，1999.

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