硅振荡器提高调频多普勒引信的炸高精度

闫民锋,杨金钢

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

硅振荡器提高调频多普勒引信的炸高精度

闫民锋,杨金钢

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

针对调频多普勒引信因器件的容差和环境温度的变化使信号处理输出的目标信号幅度不一致，影响引信炸高精度的问题，提出采用硅振荡器提高调频多普勒引信的炸高精度的方法。该方法用硅振荡器替代RC振荡器，振荡器电路电源、接地方式、输出端口不变，仅用一个硅集成块和一个去藕电容代替CMOS器件和电阻电容组成的RC振荡器，振荡频率由器件本身决定，不需要调试外围器件来校正输出频率。仿真和试验表明，用硅振荡器替代RC振荡器，能在保证耐高过载的前提下提高引信炸高精度。

调频多普勒引信；硅振荡器；炸高精度

0 引言

随着武器装备的发展，对引信炸高精度的要求越来越高。调频多普勒引信在信号处理时，常用判决多普勒信号门限来判决炸高。由于调制三角波和二次混频本振频率与多普勒信号有直接关系，其频率稳定性对多普勒信号一致性有较大影响。调频多普勒引信调制三角波和二次混频的本振一般取自于同一振荡器的分频，目前所用的振荡器，一般选用RC震荡器，而RC振荡器受器件的容差和环境温度变化，频率的稳定度不高。为了调试精准的RC振荡器频率，在引信电路设计时，需引入额外的校准器件，电路结构较复杂，在引信调试时，增加了调试难度和任务量。为了克服RC震荡器频率精度不高的问题，在低过载火箭弹上选用高稳定度的石英晶体作为振荡器，对于加榴炮和高速侵彻引信，其弹载电路经常要承受高达数万g的冲击，石英晶体的易碎性，不适合引信的电路[1]。本文针对此问题，提出了采用硅振荡器提高调频多普勒引信炸高精度的方法。

1 调频多普勒引信和振荡器

1.1 调频多普勒引信概貌

调频多普勒引信是在调频定距引信差频信号频谱分析的基础上设计的一种引信，利用差频中多普勒信号的距离信息或速度信息工作的引信[2]。调频多普勒引信与调频定距引信对比，由于多普勒信号与三角波的频率相差较大，定距的谐波与三角波频率相差较小，用多普勒信号定距避免了三角波泄露对谐波信号的干扰。引信的工作原理框图如图1所示。

图1 调频多普勒引信工作原理图Fig.1 FM doppler fuze working principle diagram

由图1看出，“RC振荡器”通过“分频器1”、“分频器2”分别产生“调制三角波”和“二次混频本振”，“二次混频本振”与“谐波带通”产生的谐波二次混频提取多普勒频率。目前调频多普勒引信，振荡器一般选用RC振荡器。由于RC振荡器受器件容差较大，器件受环境温度变化有较大的温度系数，分频产生的三角波和二次混频本振随其RC振荡器的频率变化而变化。

根据定距谐波公式[2]：

fi=N×F

(1)

其中，fi为谐波信号，N为谐波次数，F为三角波频率。由式(1)可知，谐波频率的大小与调制三角波的频率有关。由图1可知，多普勒频率是谐波频率和本振频率混频后得到的，所以信号处理中所选振荡器的精度对调频多普勒引信的炸高精度起有关键作用。

在电路结构方面，由于RC振荡器器件存在较大的容差，为了得到较一致的振荡频率，振荡器所选用的电阻常用两个电阻串联，其中一个电阻做主要振荡频率输出用，另一个单独引出到引信电路外面作校准频率用，改变其大小可以校准频率的一致性。

1.2 振荡器概貌

现在常用的振荡器有石英晶体振荡器、陶瓷谐振槽路振荡器、RC振荡器、硅振荡器。前两种是基于机械谐振工作，后面两种是基于电路移相工作[2]。

石英晶体具有高的稳定度，频率稳定度在±20 ppm数量级[3]。但石英晶体抗过载能力较差。近年来，为了提高石英晶体过载，出现了改进型的石英晶体，改进型的石英晶体有加固型和塑封型两类。加固型器件在国外发展较快，采用的是三角不锈钢片弹性托架加固，其稳定度不受影响，最大可承受过载，国内可做到2 000g，国外可做到15 000g[4]，体积较大，造价高。塑封器件由于受材料的影响，稳定度受影响，可承受过载10 000g[4]，造价高。

石英晶体的便宜替代品是陶瓷振荡器[2]，其稳定度比石英晶体低一个数量级。缺点和石英晶体一样，具有易碎性，不能承受高过载。

硅振荡器不依靠机械谐振组件，里面没有易损件，原理上可抗更高的过载[5]。具有启动速度快，抗震动、冲击，电磁干扰能力强，电流消耗低，成本低廉等优点。器件的封装较小，所以电路占用体积小。可替代陶瓷或石英晶体振荡器，工作温度范围为-40～125 ℃。硅振荡器的精度要比分立RC振荡器高，多数情况下能提供与陶瓷谐振槽路相同的精度，其稳定度在常温下比石英晶体低一个数量级，为2×10-4，高低温下稳定度为2×10-3。以 LTC1799为例，在室温条件下能输出准确度典型值为±0.5%的频率信号。

RC振荡器，优点是能抗较高的过载。由于器件受其容差和环境温度的变化影响，其稳定度变化较大。标准金属膜和片状电阻的温度系数从±5×10-4到±2×10-3量级[2]。RC振荡器频率会在标称输出频率的5%～50%范围内变化。RC产生的振荡器最典型的应用，是把CMOS反相器作为放大器，与外围器件RC结合，实现时钟频率的输出。图2为图1中“RC振荡器”电路。

图2 RC振荡器电路Fig.2 RC oscillator circuit

图2中，矩形框内的器件是固定不变的，电阻R2为单独引出电路外的可变器件，与电阻R1是串联关系。振荡器输出频率是由电阻R1、R2和C1决定，由于电阻电容存在容差，输出的频率会有一定的偏差，电阻R2为振荡器频率校准器件，调试R2能弥补电阻电容由于容差和精度不高造成的频率偏差。两个CMOS反相器，一个起振荡放大作用，一个对振荡频率进行整形和放大。受RC和CMOS本身限制，输出频率不高。

2 RC振荡器更换为硅振荡器

为了减小图1中三角波频率和二次混频本振对炸高精度的影响，在引信器件的选择时，需要选择频率稳定度高、耐过载的振荡器。把原来频率稳定度不高的RC振荡器换成硅振荡器，引信的工作原理框图与图1相同，只不过用“硅振荡器”替代了“RC振荡器”。图3为“硅振荡器”电路。

图3 硅振荡器电路Fig.3 Silicon oscillator circuit

图3中，矩形框内的器件固定不变，电容C1为去耦电容，与硅振荡器Q1结合能输出稳定的频率，其输出频率的大小由所选型号决定，不需要外围器件对输出频率进行校准，电路结构简单，占用体积小。硅振荡器是完全集成的芯片，与RC相比较，没有裸露在外的高阻抗节点，所以能承受更大的湿度和EMI影响，在电路板布线要求方面较简单。与图2相比较，硅振荡器电路的电源、接地方式、输出端口没有变化。

而图2中，RC振荡器频率是由电阻R1、R2和C3决定，由于电阻电容存在容差，输出的时钟频率会有一定的偏差，在引信电路中，为了克服器件本身容差因数，需要单独引出电阻R2到信号处理器外面，对输出频率进行调试，电路形式变得复杂，对引信批量生产，增加了调试任务。由于CMOS芯片体积较大，对小型化引信而言，占用空间较大。输出频率由于受CMOS芯片自身带宽的限制，输出频率较低。所以调频多普勒引信用硅振荡替换稳定度差的RC振荡器，在各种环境温度下，分频器输出的三角波和二次混频本振具有较高的精度，引信输出的多普勒信号的幅度一致性较好，调频多普勒引信的炸高精度自然会提高。

3 验证

3.1 仿真分析

根据公式(1)可以看出三角波频率对谐波频率的影响，仿真主要验证谐波的二次混频过程中，二次混频本振的变化导致多普勒信号的变化情况，用多普勒信号的一致性来说明引信的炸高精度。

假设谐波频率不变化，用RC振荡器和硅振荡器，分别作为调频引信的振荡器，两者比较来说明硅振荡器对提高引信炸高精度的作用。图4为二次混频取多普勒信号原理框图。

图4 二次混频取多普勒信号原理框图Fig.4 Secondary mixing principle of doppler signal block diagram

先仿真用RC振荡器，多普勒信号输出的情况。取振荡器频率1 200 kHz作为标称值。综合电阻电容的容差，和引信在各种工作环境温度下，输出频率以最坏情况5%～50%范围变化，经过分频后，两个混频本振频率变化情况如表1。

表1 RC振荡器混频本振变化情况Tab.1 The change of the local oscillator RC oscillator

用表1中的混频本振分别与两次谐波混频。图5分别为本振变化5%、本振变化10%时、本振变化15%，二次混频后多普勒信号。此处假定多普勒带通不变化。

从图5可以看出，当振荡器选用稳定度不高的RC振荡器，随着RC振荡器精度逐渐恶化，产生的二次混频本振随之变化，二次混频后谐波通道输出信号包络幅度随着本振变化量的增大而变小。对以判决信号门限来决定炸高的调频多普勒引信，当门限值为定值时，不同的包络幅度，炸高触发的位置不一样，得到的炸高将会不同。

采用硅振荡器作为调频多普勒引信定距谐波二次混频取多普勒信号时。因为硅振荡器容差较小、稳定度较高，随着环境温度的变化，振荡器频率变化较小。根据引信的工作环境，表2为硅振荡常温下温度系数2×10-4，高低温下温度系数2×10-3，温度从-40～50℃变化，混频本振变化情况。标称的时钟振荡器频率仍为1 200 kHz。

用表2中的混频本振分别与两次谐波混频。图6为两个本振变化最坏情况，二次混频后多普勒信号。

从图6可以看出，由于硅振荡器稳定度较高，产生的二次混频本振变化较小，二次混频后得到的多普勒信号频率和幅度变化较小。炸高精度自然会提高。

3.2 试验验证

3.2.1 高低温试验

实际引信在工作过程中，温度的变化对引信炸高精度影响最大，表3为两个振荡器在55 ℃、-40 ℃、室温下，实验室推板多普勒信号实验数据。

试验共验证了7发，从表3可以看出，硅振荡器作为调频多普勒引信的时钟较RC振荡器，得到的多普勒信号一致性好。

3.2.2 马歇特试验

引信灌封后马歇特试验，先用传感器标定不同齿数的过载。实验后引信加电工作，测试硅振荡器分频后的本振频率，引信共试验了3发，试验结果见表4。

从表4能看出，不同的过载，硅振荡器分频后的本振频率无变化，说明硅振荡器在高过载情况下工作稳定。

4 结论

提出采用硅振荡器提高调频多普勒引信炸高精度的方法。该方法用硅振荡器替代RC振荡器，振荡器电路电源、接地方式、输出端口不变，只用了一个硅集成块和一个去藕电容代替了CMOS器件和电阻电容组成的振荡器，振荡频率由器件本身决定，不需要调试外围器件来校正输出频率。仿真和试验表明，用硅振荡器替代RC振荡器，能在保证耐高过载的前提下提高引信炸高精度。对引信电路而言，电路变简单了，体积变小了，降低了引信的调试任务。由于引信在实际工作环境温度下，谐波滤波器和多普勒滤波器随着环境温度变化中心频率会随着漂移，滤波器对信号幅度的一致性也有影响，所以高稳定的滤波器将是以后研究的重点。

[1]徐鹏，朱江涛，高猛. 高g值冲击下泡沫铝填充铝壳轴压特性[J]. 探测与控制学报，2016，38(4):77-81.

[2]Tim Williams. 电路设计技术与技巧[M]. 北京：电子工业出版社，2007:107-111.

[3]于为群，李建文. 抗高过载石英晶体振荡器的研究[J]. 兵器材料科学与工程，2011，20(3):42-44.

[4]李乐，祖静，徐鹏. EX03晶振与KSS晶振在高过载下的失效特性分析[J]. 中国测试技术，2007, 33(3):88-90.

[5]徐鹏,祖静，李乐. 裸硅片及芯片的抗高g值冲击性能[C]//中国力学学会学术大会2007论文摘要集.北京：中国力学学会，2007.

Silicon Oscillator Promote FM Doppler Fuze Burst Height Accuracy

YAN Minfeng ,YANG Jingang

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China)

The tolerance of the electronic parts and components and the change of environmental temperature made difference between input and output signals of FM Doppler, which influenced fuze burst height accuracy. Silicon oscillator was used to promote FM Doppler fuze burst height accuracy. Simulation and experiment showed that RC oscillator was replaced by silicon oscillator could improve fuze burst hight precision on the premise of high overload resistance.

FM Doppler fuze; silicon oscillator; accuracy of burst height

2016-08-29

闫民锋(1978—)，男，陕西汉中人，工程师，研究方向：无线电近炸引信。E-mail:flyhorse331@126.com。

TJ43

A

1008-1194(2016)06-0046-05