广播音频信号自动检测器中仿真技术的应用

王奇云，刘金星

（海峡之声广播电台，厦门，福建 361024）

1 引言

电路仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特点，已经广泛应用于电子电路系统的分析和设计中。计算机仿真不仅可以取代许多繁琐的人工分析，减轻工作强度，提高分析和设计能力，避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，还可以与实物试制和调试相互补充，最大限度地降低设计成本，缩短系统研制周期。可以说，电路仿真技术大大加速了电路的设计和实现过程。

在广播发射领域中，为了将调频节目内容安全、优质地发送出去，除了要有高质量、高性能的发射设备外，还应随时监听发射节目的信号，为了及时监听信号源和发射设备的运行状态，需要设计制作一套音频信号监测告警装置。本文将以Protel仿真软件为仿真平台，阐述在音频检测器设计中进行仿真分析的关键技术与相关过程。

本文中采用的电路仿真平台Protel99SE软件，提供了高级数/模器件混合仿真功能，其仿真引擎使用的是伯克利分校的SPICE3f5/Xspice，它可精确地仿真由各种器件(比如TTL，CMOS，BJT等)构成的电路。同时不需要用户自己去编写电路网表文件，系统将根据所画电路自动生成网表并进行仿真。Protel仿真特点主要有：Protel软件具有强大的模/数混合信号电路仿真能力，能提供连续的模拟信号和离散的数字信号仿真，并且可以分析电路各方面的性能，如电路的交直流特性、温度漂移、噪声、失真、容差、最坏情况等；Protel为每种分析类型都提供了一组设置参数，通过设置对话框可方便地设置所需的各种参数；Protel提供了20多个模拟和数字器件仿真元件库，共包含6 000多个常用元器件[1]。

广播音频信号自动检测器设计要求有：信号源出现问题，导致发射机无音频信号输出；激励器音频处理器、音频放大器发生故障，无调制信号输出，导致发射机无音频、无载波信号输出；发射机设备都正常，而前端或中心台音频信号停传，导致发射机无音频信号输出；此监测装置在音频信号中断后，延时8秒钟以上发出报警，提醒值班人员。

2 检测器的基本结构与一般电路分析

2.1 电路基本结构

运用Protel仿真技术，结合一般的电路设计知识与广播音频信号的特点设计的检测器如图1所示，该电路共分为五个部分：①音频信号输入端；②音频信号放大部分；③音频信号检波部分；④检波信号触发555时序启动部分；⑤检测电压输出与报警输出部分。

2.2 一般电路分析

如图1所示，200mV左右的广播节目音频取样信号，从电路图中的①部分进入音频检测器中，经滤波电路进入②部分音频放大部分，对输入的音频信号进行放大，一般来讲该型放大电路能将信号放大3～5倍，使信号达到一定的电平以驱动后级检波电路。③部分就是检波电路，根据该电路的构成，要求前级放大电路应将信号放大至800mV以上。信号经检波电路后输出一定电平信号驱动后级④部分的555时序电路进行翻转，并输出低电平信号使⑤部分的蜂鸣报警器报警[2]。

3 音频信号自动检测器仿真分析

上文的分析采用的一般性的模拟电路分析方法，虽然也能基本了解该电路设计和运行的一些特点，但是无法时时动态掌握该电路是否存在设计缺陷、电路性能是否满足设计要求，更主要的是一旦需要进行调整，就只能采用最原始的方法，逐个元件进行调试，这样盲目的方法既费时、费力、浪费器件，又无法科学有效准确地找到使电路实现最佳性能的方法。

图1 音频检测器原理图

通过电路仿真的方法就可以有效解决上述问题。如图1的电路，其中元器件都是采用Protel软件中SIM器件库构成，可直接进行仿真分析。在该电路系统中主要采用的是静态工作点分析、瞬时特性分析和交流小信号分析。在进行静态工作点分析时无需设置参数，仿真过程会自动将电路中的电容开路，电感短路，计算并显示各节点的对地电压、阻抗和各元器件的电流、阻抗、功率等，能了解电路元器件选取的合理性以及估计电路的动态范围；瞬时特性分析属于时域分析，反映各种物理量（电学量）与时间的关系，相当于使用多踪示波器来直接测量各点信号的波形和间接计算电路的一些指标，帮助了解电路的性能，是最常用的分析方法；交流小信号分析属于线性频域分析，用于分析电路的幅频特性，相当于使用扫频仪器测量电路[4]。

3.1 静态仿真分析

3.1.1 放大器工作点状态分析

在该电路中静态仿真分析主要用于对两个放大电路工作状态分析，首先设置静态工作点分析的相关参数。依次单击仿真平台软件Protel99SE主界面Simulate→Setup后弹出图2的界面，该界面就是仿真设置界面。静态工作点仿真只需要勾选Operting Point Analyses就可以。再单击Run Analyse进行仿真就可以得到图3的各点静态工作电压值。从表值中可以看出，Q1的工作状态vb1=2.572V，vc1=8.575V，ve1=1.914V，满足放大状态电压要求，Q1可以工作在放大状态，而Q2的工作状态vb2=6.965mV，vc2=8.571V，ve2=0V，此时不满足放大状态要求，Q2不导通。

图2 静态工作点设置界面图

图3 静态工作电压值

3.1.2 音频信号阻抗匹配分析

在音频信号的传输与检测系统中，各电路间的阻抗匹配是十分重要的参数，特别是作为文中设计的检波器是音频信号的告警系统，如果不能满足阻抗匹配条件，将会造成严重的音频信号衰减和变形，极大地影响系统的准确性和灵敏度。

针对文中的检波器，运用仿真技术对其进行阻抗性能分析主要是信号的输入阻抗匹配分析，图1中①部分电路中Ri就是输入信号的源内阻，一般为50Ω，那么需要与其进行匹配的阻抗就是vi[z]，也就是vi作为源信号对后续电路形成的阻抗应该为50Ω。其对应电路如图4所示。

进行阻抗分析需要做如图5的设置，并使用交流小信号分析法，对电路的频响与阻抗状态进行分析。

在图5中，上方的需要选择AC Small Signal Analyses项，在下方的设置菜单中，根据音频信号的频谱范围设置仿真分析频率范围为20Hz～20kHz，仿真分析取样点100个。运行仿真软件得到如图6的仿真结果。可以明显看出该电路输入阻抗vi[z]在设计频率范围内为50Ω，满足设计要求。

图4 输入阻抗分析电路

图5 输入阻抗分析设置菜单

3.2 动态仿真分析

通过上面的分析可以看出，在没有音频信号的静态工作状态下，Q1放大管满足放大输入音频信号的要求，下面就从音频信号自动检测器工作的两种状态对该电路进行瞬时的动态仿真。

3.2.1 音频信号自动检测器启动过程分析

音频信号自动检测器工作启动过程的要求是电路能快速进入检测准备状态，不发生误报警。打开如图7的仿真设置界面，勾选Transient/Fourier Analyses项，并打开Transient/Fourier Analyses选项卡进行仿真参数设置。根据电路工作的基本情况这里设置仿真起始时间Start Time=0，仿真终止时间=30ms，仿真步进时间=300μs，仿真最大步进时间=300μs。

图6 输入阻抗分析结果

此时运行仿真，可以得到如图8所示的电路实时仿真图形。通过仿真结果可以看出输入音频信号vi（1kHz，150mV）经过Q1放大后得到vc1（1kHz，1V）（vc1的波形图可以选择单信号模式以便于更准确地进行分析，如图9所示，图中标尺a和b分别给出了vc1的振幅值为9.8418V和7.8334V，由此可以得出vc1幅度为1V），该信号进入检波电路后得到输出信号vb2，由图8可以看出vb2在5ms后信号幅度达到800mV，Q2的状态为vb2=800mV，vc2=8.571V，ve2=0V满足开通状态，此时Q2导通在其集电极输出电压vc2，vc2在5ms后电压由8.571V逐渐下降至0V，在24.2ms时vc2电压为3.9965V<1/3VCC电压，555芯片2脚的置位端电压也小于1/3VCC的置位电压，使555芯片3脚电压vo2输出高电平信号，此时该电路完成启动准备状态，用时约24ms，时间足够短满足了电路启动不误报警的要求。

图7 检测器启动过程仿真参数设置界面

图8 检测器启动过程仿真波形图

图9 vc1电压波形图

3.2.2 音频信号自动检测器检测过程分析

音频信号自动检测器检测过程的要求是电路能准确检测信号状态，并给正常节目中断留有相当的延时，以免发生误报警。这里需要注意的是自动检测器进行检测的初始条件是信号中断的时刻，那么vc2电压值就不是电路初始化时刻的8.751V，而是如图8所示电路启动后的0V（图8中电路启动后至42ms时vc2电压降至0V），所以需要在仿真电路上设置仿真初始条件IC，如图10所示。

图10 设置IC初始值的仿真电路

打开如图11的仿真设置界面，勾选Transient/Fourier Analyses项，并打开Transient/Fourier Analyses选项卡进行仿真参数设置。根据电路工作的基本情况这里设置仿真起始时间Start Time=0，仿真终止时间=1.5s，仿真步进时间=10ms，仿真最大步进时间=10ms。

图11 检测器检测过程仿真参数设置界面

此时运行仿真，可以得到如图12所示的电路仿真波形图。从各信号波形图可以看出，当音频信号突然中断时，vc2开始从初始的0V电压逐渐升高，也就是图12中电源电压开始向电容C5充电的过程，在0.93s时vc2电压充电达到了8V≥2/3VCC，此时555芯片6脚复位门限电压满足了大于等于2/3电源电压的条件，触发了复位条件，使输出电压vo2变为低电平，完成信号的检测。

信号检测的功能是实现了，可是从图12中可以看出，该电路检测时间为0.93s，时间过于短暂，而一般的广播信号都会有几秒时间的正常中断，所以过短的检测时间会发生误报警。

图12 信号检测过程分析一

由于检测时间与C5和R6构成的RC电路的充放电密切相关，下面就通过调整C5的值来观察检测时间的变化，将C5值变大为20μF，再进行上述仿真，得到如图13所示的波形图。通过读图中标尺可以看出vo2输出翻转时间延长至9.2s，也就是广播音频信号中断时长达9.2s后，检测器才会告警，这一时长基本满足了广播信号检测的要求。

图13 信号检测过程分析二

4 结束语

从以上分析可以看出，通过使用静态工作点、交流小信号、阻抗、瞬时相应等仿真技术，结合检波器的自身特性，对本文所构建的广播信号自动检测器进行了工作状态、阻抗匹配、启动过程和信号检测过程的细致分析，使设计和使用者都能非常好的了解和掌握电路运行的时时状态，并能根据仿真结果科学有效的调整电路，使检测器的性能达到了最佳状态。

[1] 清源科技.Protel99se电路原理图案设计与仿真技术[M] .北京：机器工业出版社，2007

[2] 陈斌，袁振东，丁大元.音频信号分析仪制作与讨论[J] .电气电子教学学报，2008

[3] 康华光.电子技术基础模拟部分[M] .北京：高等教育出版社，1999

[4] 王正谋.Protel99se电路设计与仿真技术[M] .福州：福建科学技术出版社，2005