ZX-2kW-Ⅱ型短波发射机控制保护单元原理分析

张宏斌、赵军棋、和群辉

云南省广播电视局迪庆实验台

1摘要

ZX-2kW-Ⅱ型短波发射机控制保护单元主要是采集发射机的工作状态，并将各种工作状态转换成数字信号通过串口与激励器进行通信，将各种工作状态送至激励器进行参数的显示与报警保护。

关键词：采集、控制、保护、报警

2控制保护单元工作原理分析

ZX-2kW-Ⅱ型短波发射机控制保护单元具有过压、过温、不平衡、驻波比4种保护功能。当前置驱动模块、末级模块任一路大功率场效应管漏极电压峰值超过保护值时，控制保护单元对应电路的比较器输出高电平。该高电平通过控制保护单元内的K32D控制器转换成数字信号，通过串口送至激励器，激励器关断PTT信号和射频信号；另一路送入施密特延时电路，延时电路使PTT键控信号断开，相应的功率放大电路停止工作。通过软、硬件双重保护确保功放单元的功放管得到有效保护。

功率合成模块检测的正、反向功率电平经过分压电路、比较器电路产生驻波比报警时,产生一个高电平，该高电平通过控制保护单元内的AD采集模块转换成数字信号，通过串口送至激励器，激励器采集到该信号，断开PTT键控信号和射频信号，相应的功率放大电路停止工作。

当任一路功放模块发生温度或不平衡报警时，温度继电器吸合，产生24V高电平信号，控制保护单元对应电路的比较器输出高电平。该高电平通过控制保护单元内的K32D控制器转换成数字信号，通过串口送至激励器，激励器采集到该信号，断开PTT键控信号和射频信号，相应的功率放大电路停止工作。

四路末级模块的输出功率通过模块功率检测电路检测出模块输出的正向功率的直流电平值，送到控制保护单元的K32D控制器，将直流信号转换成数字信号通过串口送至激励器做模块功率显示。

控制保护单元原理框图如图2所示。

图2 短波发射机控制保护模块

3 K32D控制器原理分析

K32D控制器采用的是新一代智能可编程控制器，该款控制器技术先进，功能强大，稳定可靠，体积小巧，结构紧凑，配置灵活，是设备控制、数据采集、远程监控等应用的理想选择。K32D实物照片如图3所示。

图3 K32D实物照片

K32D控制器具有11个模拟输入接口，48个数字输入接口，16个数字输出接口，4个模拟输出接口，2个RS232和1个RS485串口接口，1个以太网接口。

3.1 K32D控制器功能特点

• 开关量输入全部光电隔离，速度最大10kHz；

• 开关量输出全部光电隔离，速度最大10kHz，带过热保护与短路保护，每通道驱动电流可达500mA;

• 10M以太网，完善的协议支持，稳定可靠；

• 1个RS485,2个3线RS232；

• 带备用电池的实时时钟；

• 具有10个定时器；

• 具有看门狗电路；

• 128K内存空间，支持掉电数据保护；

• 256K字节用户代码空间，可实现非常复杂的功能；

• 56K字节的FLASH存储空间，供用户存储数据用，掉电数据不会丢失，提供接口函数用户进行读写。

• 连接器使用可插拔螺丝端子；

• 标准C语言开发环境，提供大量例程和扩展函数，使用的用户的开发简单高效。

• 用户程序可通过串口或以太网直接烧写，不需任何工具。

3.2使用条件

工作电压：VIN与VIO都是24VDC；

功率：小于5W（不包括外部I/O）；

工作温度：-40℃～+70℃；

工作湿度：5%～95%；

3.3 K32D控制器的I/O功能说明

3.3.1开关量输入

48路开关量输入，其中DI01和DI02有中断计数功能。所有的通道全部光耦隔离，每通道间也相互隔离，最大速度为10KHz。各通道的负极彼此并不相通，对于共地的输入信号，可将对应的负极接在一起并接至外部I/O地线，不可与CPU的地线或模拟地接通，但可与开关量输出的I/O地线接通。

输入电压大于18VDC时对应的通道指示灯亮，代表高电平1；输入电压小于12VDC时对应的通道指示灯灭，代表低电平0。使用函数为digIn（int ch）,参数ch为通道号，取值0-23，对应K32D的通道为DI01-DI24，如digIn（0）返回的是DI01的值，通道电平为高时，对应的通道指示灯亮，返回值为1，否则返回值为0。

3.3.2开关量输出

16路开关量输出接口，全部光耦隔离，每8路为一组，偏置电压由对应的VIO脚提供，额定工作电压为24VDC，最大速度为10KHz。所有的通道均为场效应管输出，电压输出模式，为外部设备提供电压，每通道最大可提供 500mA 电流。所有的通道均带过热保护与短路保护，当任一通道出现异常时，K32D会自动进入保护状态，此时 STAT 灯常亮，K32D 关闭所有输出，并停止运行，直到故障解除后，K32D会自动重启并恢复正常运行。

3.3.3模拟量输入

11路模拟量输入接口，均为 12 位分辨率，采样频率为 4KHz。可选的输入方式为电压信号 0 – 5 V 和 0 - 10 V，电流信号 4 - 20mA。输入阻抗 1M 欧姆，电流模式时采样电阻为 250 欧姆。可根据用户需要配置，预设好合适的输入模式，也可以配置成一部分通道为电压模式，一部分通道为电流模式。电压采集时用的函数为 anaIn Volts(int ch)，参数 ch 为通道号，取值为 0-15，对应K32D的通道为 AD01-AD16，返回值为浮点数的电压值。如 anaIn Volts(0)将返回 AD01 通道的当前电压伏数。电流采集时用的函数为 anaIn Amps(int ch)，参数ch为通道号，取值为 0-15，对应K32D的通道为 AD01-AD16，返回值为浮点数的电流毫安值。如 anaIn Amps(0)将返回 AD01 通道的当前电流值。可以采用取平均数的方法得到更加稳定的读数，在采样速度许可的情况下，可以每 2-5ms 读一次，连续读 5-20 次，再求平均数。

3.3.4模拟量输出

4个模拟量输出接口，支持0 - 10 V电压输出以及4 - 20mA 电

流输出，12位分辨率，速度为4KHz。正极为信号输出端，负极为模拟地，与模拟量输入 的 地 线 内 部 连 通 ， 彼 此 是 共 地 的 。 电 压 输 出 时 用 的 函 数 为anaOut Volts(int ch, float volt)，参数ch为通道号，取值为 0-3，对应K32D的通道为A1-A4，volt 为需要输出的电压值。如 anaOut Volts(0,2.50)将使A1通道输出 2.5V 电压。电流输出时用的函数为 anaOut Amps(int ch, float amps)，参数 ch 为通道号，取值为 0-3，对应K32D的通道为 A1-A4，amps 为需要输出的电流毫安值。如anaOut Amps(1, 7.50)将使 A2 通道

输出 7.5mA 电流。

3.3.5串口

3.3.5.1串口D

由TXD、RXD和GND组成，标准配置RS232电平，波特率范围：1200～115200BPS。下载用户程序用到的就是这个串口，用户程序也可正常使用这个串口。

3.3.5.2串口C

由TXC、RXC和GND组成，标准配置为RS232电平，波特率范围：1200～115200BPS。串口C可根据用户要求配置成RS485，TXC为485+，RXC为485-。

3.3.5.3串口B

由485+和485-组成，标准配置为RS485电平，波特率范围：1200～115200BPS。串口B可根据用户要求配置成RS232，TXB 为485+，RXB为485-。

3.3.6以太网

10M以太网，支持TCP，ModBus TCP，UDP，DHCP，SMTP，POP3，SNMP，HTTP，FTP，PPP 等，协议完善齐全，稳定可靠，支持快速数据传输。使用 Mod Bus TCP 协议，可与多种国内市场常见的组态软件连接，有完善的驱动程序。

4功放保护电路原理分析

功放保护电路的主要作用就是保护功放单元的前置驱动模块、末级模块和合成模块，当这几个模块出现报警时，通过硬件电路快速切断前置驱动模块和末级模块的偏置电压，从而停止功率输出，起到保护的作用。功放保护电路实物如图4所示。

图4 功放保护电路实物

功放保护电路包含报警电路和放大模块偏置电路，报警电路主要是采集功放的各种报警形成两路报警输出，一路是过压报警，一路时温度、不平衡和驻波比报警。各种报警包括发射机的六个末级放大模块的温度(模块左、右)、过压（模块左、右）、不平衡报警，一个驱动放大模块的温度和过压报警，一个功率合成模块的不平衡和功率驻波比报警。放大模块偏置电路在没有报警的情况下，为末级放大模块、驱动放大模块提供12V的偏置电压，当任何一路出现报警时，则把12V的偏置电压切断，使得功放模块停止工作，起到保护作用。同时当功放模块出现报警时，还将两路报警信号输出至发射机控制模块进行各种报警处理。

报警电路包含过压报警电路和温度、不平衡、驻波比报警电路，其中温度、不平衡、驻波比报警电路通过二极管对各路报警进行隔离与合成处理形成一路的报警信号输出，电路如图5所示：

图5 温度、不平衡、驻波比报警电路

过压报警电路采集每一路放大模块的功放管栅级电压然后通过二极管隔离合成为一路电压信号，经过比较器处理，当电压高于设定值时，比较器输出一个低电平触发NE555触发器形成报警信号输出。电路图如图6所示：

图6 过压报警电路

放大模块偏置电路包括报警判断与处理电路，DC-DC电路。

报警判断与处理电路通过BC547开关管判断是否产生报警，当产生报警时BC547导通将开关管BSX45的基极拉低，使得BSX45开关管处于关闭状态，从而使得PNP管BD648的基极处于高电平，不导通，从而切断DC-DC电路的+24VDC的供电。

DC-DC电路由13个L7812CV集成电路及其外围电路组成，每一路的电路和功能相同，均是将+24VDC电压转换成+12VDC输出。放大模块偏置电路如图7所示：

图7 放大模块偏置电路

5整机控制处理接口电路原理分析

整机控制处理接口电路主要是对发射机整机的报警处理、末级模块功率指示的处理等。整机控制处理接口电路如图8所示。

图8 整机控制处理接口电路

整机控制处理接口电路包含报警处理电路与模块功率指示电路，报警处理电路将各个功放模块的每一路报警信号进行滤波、分压、跟随电路处理后送至发射机控制模块进行报警处理与显示，便于故障定位与指示。报警处理电路如图9所示：

图9 报警处理电路

模块功率指示电路将末级放大模块的正向功率指示电平进行滤波、分压与跟随处理后送至发射机控制模块对每个末级放大模块的输出功率进行实时显示。

将合成模块的检测的正向功率检测电平和反向功率检测电平进行采集与跟随处理后送至运算比较电路进行功率驻波比计算输出，并送至发射机控制模块对功率驻波比进行采集与保护。

模块功率指示电路如图10所示：

图10 模块功率指示电路

6总结

通过对ZX-2kW-Ⅱ型短波发射机控制保护单元的电路原理分析和学习，深入地掌握了控制保护单元的工作流程和原理，掌握了发射机保护报警机制以及信号处理原理。对后续做好设备检修维护,保障安全播出打下了坚实的基础。

参考文献

【1】ZX-2kW-Ⅱ型短波发射机使用说明书.广州.2018