一种宽温应用的近正弦载波发生器设计方法

余 莉，尹伟伟，于江海，杨业明

（航天科工惯性技术有限公司，北京 100074）

0 引 言

在数字通信系统中，基于正弦信号在信道传输中频谱简单、解码可靠性高这一特点，通常将其作为受调载波。产生正弦信号最直接的办法就是采用波形发生器，但是对于温度为150 ℃及以上的应用环境来说，目前很难找到满足要求的纯硬件产品。如果通过功能强大的可编程波形发生器实现，外部则需要微处理器配合，不仅硬件接口连接烦琐、控制关系复杂，而且实现成本较高。事实上，数字调制系统中受调载波的波形形式并不需要指定为标准的正弦信号，只需要受调信号适用于信道传输、解码简单即可。正弦信号作为受调载波时，其失真度参数对信道传输和解码精度几乎没有影响。基于此，在数字调制系统中可以采用近正弦信号作为受调载波。

1 近正弦载波发生器设计

设计一种宽温应用且频率稳定可控的近正弦载波发生器，主要包括脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）发生器、有源带通滤波器、信号调理电路3部分。PWM发生器输出PWM信号进入有源带通滤波器，滤波器将PWM信号转换成频率不变、正负电压对称、幅值一定的近正弦波，信号调理电路最终将滤波器输出信号调理为通信系统信道需要的受调载波[1]。

PWM发生器应具有频率稳定和宽温适应性两大特征，可以采用单片机或数字信号处理器（Digital Signal Processing，DSP）等宽温数字CPU结合内部功能块编程实现。有源带通滤波器可以采用有源低通滤波器串联有源高通滤波器实现，也可以在负反馈支路上加入带阻滤波器或者由单个运放结合外围的阻容电路构成压控电压源二阶带通滤波电路实现[2]。其中，压控电压源二阶带通滤波电路是最常用、最经济的实现方法。信号调理电路的作用是根据通信系统信道对受调载波幅值的要求进行相应调理，最简单实用的方法就是通过集成运放结合外部阻容构成比例运算电路。比例运算电路的拓扑形式多样，包括反相比例运算电路、同相比例运算电路以及差分比例运算电路等。考虑到成本和实际需求，同相比例运算电路适用范围更广。

1.1 PWM发生器

具有PWM功能模块的宽温单片机内部包括RS触发器、周期寄存器、比较器、定时器、缓冲器以及占空因数寄存器等部分，如图1所示。具体编程中，使用汇编语言或C语言均可[3]。

图1 具有PWM输出功能的宽温单片机内部结构

PWM波形存在周期和占空因数两个重要参数。在单片机内，缓冲器从占空因数寄存器中取出占空因数与定时器的动态计数值相比，当二者相等时，比较器输出复位信号到RS触发器的R端。将周期寄存器的设定数据与定时器的动态计数值相比，当二者相等时，比较器输出置位信号到RS触发器的S端。RS触发器根据R端、S端的输入信号输出相应的PWM信号进入输出控制器，输出控制器再根据相应的指令确定是否输出PWM波形[4,5]。

1.2 压控电压源二阶带通滤波电路

压控电压源二阶带通滤波电路包括低通滤波器电阻R1和电容C1、高通滤波器电容C2和电阻R2、反馈电阻R3、同相比例运算电路电阻Rx和Rf、运算放大器N1，如图2所示。

图2 压控电压源二阶带通滤波电路

令C1=C2+C、比例系数Af=1+Rf/Rx，可得传递函数为

式中：s为复变量。当R1=R2=R、R3=2R时，其传递函数简化为

令中心频率为

结合式（1）和式（2）可以得到下限截止频率为

上限截止频率为

通频带为

通带放大倍数为

式中：Q为品质因数，Q=f0/fbw。Q常用于表征电路的幅频特性，Q值越大，通带放大倍数数值越大，频带越窄，选频特性越好。

1.3 信号调理电路

信号调理电路采用了同相比例运算电路拓扑，如图3所示。

图3 同相比例运算电路拓扑

由于电路引入了电压串联负反馈，因此可以认为输入电阻为无穷大、输出电阻为零。根据理想运放的“虚短”“虚断”原则，可以得到输入电压与输出电压的关系为

2 实例设计与测试

2.1 电路参数设计

在某型系统的信号传输中，应用环境温度为-20～150 ℃，受调载波信号的需求为频率（500±5） kHz、幅值为±10 V的近正弦波。采用本文所提方法获取受调载波信号，即由PWM信号发生器+二阶带通滤波器+信号调理电路实现。PWM信号发生器通过单片机I/O口CCP1引脚直接输出，单片机工作时钟由内部8 MHz晶振提供。利用该单片机定时器2的PWM工作模式，可以使引脚CCP1直接输出占空比为0.5、频率为（500±5） kHz的PWM信号。在二阶带通滤波器+信号调理电路电路中，模拟电源选用±12 V供电，运放选用TI公司的OPA2211。通过标准阻容的选取，二阶带通滤波器通带的中心频率f0=525 kHz，品质因数Q=6.7，通频带Δf=78 kHz，f0处的电压放大倍数Au0=2.03。信号调理电路选用同相比例运算电路拓扑，输出电压Uo与输入电压Ui的关系为Uo=2.3Ui。

2.2 实际测试结果

按照实例参数对PWM信号和近正弦信号用示波器测量，结果如图4所示。

图4 实例PWM信号与近正弦信号实际测试图

由图4可知，单片机输出幅度接近5 V、占空比为0.5、频率503.3 kHz的PWM信号，经过二阶带通滤波器和信号调理电路后，最终得到了幅值约为±10.5 V、频率为503.3 kHz的近正弦信号，满足受调载波的设计要求。

3 结 论

对于150 ℃及以上的宽温应用环境，本文提供的近正弦载波发生器设计方法不仅实现电路简单、成本低，而且所产生的近正弦信号频率稳定可控，能够作为受调载波广泛应用于数字调制系统。