基于模拟乘法器AD534输入下降引起的中波发射机一系列故障分析及对策

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摘要：本文试图通过对中波台数字调幅发射机的模拟输入电路中的的功率补偿电路进行分析，解析因AD534乘法器输入下降导致的发射机电声指标下降以及发射机主整过流、功放板过流击穿故障以及功率异常问题的产生机制，并提出解决此类问题方法及预防对策。限于本人认知，分析及结论可能有所错漏，望谅解并指正为谢。

关键词：非线性失真模拟乘法器自动功率补偿最大不失真输出电压

我台交通网中波发射机使用的是陕广AM103S5-Ⅱ数字调幅发射机，该机电声指标优良、效率高、结构简单、运行安全稳定可靠，尤其是该机功率放大部分采用功放模块，具有功率连续可调等优点。该机电声指标远优于部颁甲级标准，但是有次指标测试时发现非线性失真指标达到了7%，信噪比低于-53dB。后经反复查找最终在模拟输入板上成功排除故障，此文旨在解析故障成因以及预防对策。

1.1、发现非线性失真增大和信噪比下降问题，组织力量排查故障。

在例行指标测试时，发现该机非线性失真大于7%，信噪比下降到-53dB，而且失真是非常明显的奶头失真，且调幅度越大，奶头失真部分越长。这种明显的奶头失真在数字机中是少见的，即使射频放大部分有故障，通常也只在包络波形上形成缺口（即毛刺）。

1.1.1排除了功放模块以及ROM寻址错误导致指标下降的可能

通过监测，在加调幅度65%左右时出现，用双踪示波器对比失真开始时的波形宽度，发现恰好与A36板上U型短跨片上测量的信号宽度类似，我们一度认为失真可能由功放板故障引起，经反复检查射频输入、更换功放板始终无法消除故障，我们还曾怀疑是A36板上N45有问题，怀疑ROM寻址故障，导致相应功放模块无法按照正确程序开通或断开，结果更换N45后还是无法解决问题，排除了ROM原因。

1.1.2.检查音频通路并最终在A35板的模拟乘法器上查出故障点

检查音频通路，加调幅信号后发现在A35模拟输入板XJ7测试端时波形发生了畸变，其形状与畸变的调幅包络波一致，显然畸变在音频部分已经发生。检查A35模拟输入电路板各点的电压波形，当给发射机送入1KHz测试音频时，用示波器在A35板的XJ7监测点测到一个+1.5V直流上叠加的正弦波，随着输入音频信号的加大，XJ7点的信号也随之加大，当信号加到一定幅度时，直流上叠加的正弦信号开始失真，上半周期的波峰上出现奶头失真，信号越大，失真越大。但在同样输入信号的情况下，在XJ4点的波形是正常的，是一个-1.6V 直流上叠加的正弦波，输入增大时波形未失真。在XJ4正常的波形到XJ7点却发生了畸变，而两者之间只经过了N10和N8。N10 的输出第8脚送往N8-17，在N8（AD7525）的输出端1脚上测得波形也是失真的，但失真出现在正弦信号的负峰。再检查N10的各输入端：复合信号输入正常无畸变;从A24板来的+230V电源采样送到A35板也正常。但输出端信号却是失真的，且波形发生了畸变，再检测XJ5测试点，开低压时为+1.2V ，开高压时为+2;在VD9正端测得开低压时为+2V，开高压时为+2.5V，而XJ5正常时为+5V。检查N12B的输入端第5脚，也就是+230V高压取样电压，为正常的+5V。

究竟是哪个环节引起的波形失真？音频输入部分是如何工作的？图1是模拟输入板基本框图，图2发射机电源补偿（也称为功率补偿）原理图。

发射机的音频输入信号在A35板上首先经过H型衰减器、贝塞尔滤波器、平衡到不平衡的转换电路，经过最大载波设置电路，加入决定载波电平的负直流信号，输出一个（音频+直流）的复合信号，此复合信号再送到主整电源补偿电路，实现自动功率补偿。

功率自动补偿电路通过模拟乘法器N10及附属电路组成。模拟乘法器N10（AD534）的一个输入端Z2来自复合信号（音频+直流），N10的另一个输入端X1来自+230V电源取样信号，N10的作用为补偿电源的变化，使输出功率保持稳定，N10的输出又送到数控衰减器N8，从控制板来的数控信号也送到N8的BCD码控制输入端，N8 的输出由N10的输出和数控信号共同决定，最后输出一个经电源补偿的数控的（音频+直流）复合信号，再由N4B加入高频抖动信号来优化发射机噪声性能。

1.2.1查明主整230V电源取样送到N10输入端被拉低下降原因

为什么从A24板取样过来的+5V电压到了N10以后被下拉到+2V以下呢？分析相关电路后，发现与XJ5相连接的还有一个高频瓷片电容C85（容量为0.01μF），该电容与N10的第10脚相连，另一端接地。是电容C85失效漏电吗？ C85会是故障点吗？我们试着甩开C85电容后，此时监测输出波形正常，失真已消失。即使加大输入，输出波形也未发生畸变。再测试C85，确定已失效。更换了该电容后，再测得XJ5点电压：开低压时有+2.8V电压，开高压时有+5V。VD9正端电压为：开低压时为3.4V，开高压时为4.4V。一切处理好后，检查发射机的失真，各频率点上均小于1%，测试信噪比也达标。至此发射机失真度、信噪比下降的故障已经排除。

2.1.分析N10发射机自动功率补偿电路以及输入下降如何影响发射机电声指标

2.1.1模拟乘法器N10及附属电路作用

N10在 DX发射机中起什么作用呢？为什么N10的输入下降会引起发射机较大失真呢？由于DX数字调幅发射机的幅度调制是依靠各个时刻开通确定数量的功放模块来产生该瞬时音频调制信号所对应的射频输出电压来实现的。因此功放电压+230V的变化会影响发射机的功率输出。为了稳定输出功率，本机在模拟输入电路中通过引入功放电源取样送到模拟除法电路（AD534），来达到自动功率补偿的目的。

本机中所使用N10为模拟乘法器AD534组成的基本除法器，它是一款单芯片激光调整四象限乘法器，比例因子可调整。电路组成方框图以及传输函数如图3所示：

AD534的传输函数为： V0=A {} 。其中A为高增益运算放大器的放大倍数。X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2分别是N10的输入，N7B的输出“音频+直流”复合信号送到N10的Z2输入端6脚;来自于A24熔断器板来的+230V电源取样信号送到N10的X1输入端10脚;第2脚为SF输入端，SF称为比例因子，其值由模拟除法器的偏置电阻R17（5.6K）决定，SF===5.09;而Z1是接地的，有Z1-Z2=-Z2;又X2接地，故X1-X2=X1，另Y2输入是和输出连接在一起的，而Y1被接地，所以Y1-Y2=-Y2=-V0。综合以上条件化简得： V0=，当A较大时，上式可再化简为： V0=。本例X1为+230V功放电压取样值，亦即模拟除法器的除数，为5.1V，而SF为5.09，所以V0=0.99，正常输出时近似与Z2一致。

N10输出的是带电源补偿功能的（音频+直流）复合信号，再被送往三位半的数控衰减器N8（AD7525）。N8的输出由从控制板来的数据输入端和模拟输入信号端（N10的输出）共同决定。其输出再被送往低噪声的运算放大器N11起缓冲作用，最后被送往A/D转换板，在A/D转换板上转换成编码的数字信号，再送到A36调制编码板形成12位数字编码，进一步开通相应数量的大台阶和二进制功放板。当外电源升高时，功放电源取样电压也相应增大，但是由于控制功率大小的V0与功放电源取样X1呈负相关的原因，模拟除法器输出的复合音频信号将减小，会减少功放板工作的数量确保功率无变化;如果外电源下降时，功放取样电压则随之下降，则经过模拟除法器以后输出的复合信号会增大，于是会增加功放板的数量，仍然能保持稳定的功率输出。

2.1.2 N10的防取样丢失保护电路分析以及 N10除法器除数下降引起的故障

根据上面分析，知道N10输出函数为：V0=。当X1下降时，V0是增长的，X1下降越多，则V0越大，最后输入到后面三位半数控衰减器N8的数值就会增大，因此发射机输出功率就会相应增大。为防止在X1大幅减小时发射机不出现输出功率激增，自动功率补偿电路中设置了取样失败保护钳位电路，这样即使取样电路故障，发射机功率不会激增。R33，R34，VD13，VD9 及相关元件构成取样电路的故障保护电路。其中VD9的负端通过R76、R78与+230V取样电路相连，如无此保护电路，当关掉高压电源时，或者是当A24板取样电路故障时，N12B 的输出随之为零，此时N10 的输出就会趋向+15V，发射机的输出功率就会达到一个很高的水平，此时发射机势必会出现因主整过流而关机。当加了此故障保护电路后，当取样不足或为零时，XJ5点的直流电压会很小，那么经R33、R34组成的分压电路形成的4.6V（实测4.4V）正向电压就会使VD9导通，送到N10的X1输入端10脚电压就不会很低（理论值为5.3V），此时：V0===0.96*Z2，从而保证功率不会发生大的变化。在主整电源取样正常时，二极管VD9反偏截止，也就是说当电路工作正常时VD9实际是关断状态，只有电源取样故障时VD9正偏导通。

与N10的10脚相连的高压瓷片电容C85主要作用是滤除高频感应，因其另一端接地，当该电容失效漏电时，会引起XJ5点的电位被下拉，极端时会导致电位为零，此时模拟除法器N10的除数X1也相应下降。因此，即使加了取样故障保护钳位电路依然没能抵消掉电容失效漏电带来的影响。本例中开低压实测1.2V，开高压实测有2V，正常值为5.1V。正是由于N10的输入X1下降才引起一系列故障。

3.1.1发射机失真增大的理论分析

由于N10构成的除法器的除数X1的下降导致其输出大增超出了模拟乘法器最大输出电压导致失真。由于AD534乘法器的输入在集成电路内部首先是将输入电压经过V-I转换成差分电流。根据组成结构图来看，两组减法电路以及稳压偏置电路送到一个乘法器后，再和另一组减法电路一起送到一个高增益运放电路。当C85电容失效导致N10的X1输入电压下降时，对模拟除法器AD534而言，除数由5.1下降到2， V0===2.54*Z2（正常时V0=0.99*Z2）。AD534特性参数中最大输出电压幅度实际上是保证输出不失真时最大输出电压，本例中，N10因输入端X1下降势必导致其输出大增，当输入的复合信号Z2加大到一定幅度时，由于输出电压呈2.54倍异常放大，超出模拟乘法器的最大输出电压，超出部分就会产生非线性失真或被削波。又因Z2信号是负直流上的正弦波，放大的下半周信号超出工作电压部分就会发生非线性失真，所以在N10输出端波形是下半周失真，经过三位半数控衰减器N8，再经一个反相运算电路N11，因此在XJ7测得输出波形是上半周失真，经过48个射频放大单元放大后、再经合成器合成最后经过带通滤波器出来的包络波形必将产生失真，且失真在上半周期。在此次故障中由于模拟除法器输出放大太多且输出波形失真，后面数字衰减器相应减小很多，信噪比下降也就难免了，故障解决后，发射机的失真、信噪比均恢复正常了。

4.1.1、N10输入下降引发的发射机的其它次生危害以及潜在风险

本次故障中为什么发射机能在N10输出的复合信号放大这么多时却依然能工作在正常的功率等级呢？由于复合音频经过N10后输出放大太多，要保证最后输出功率不变，那必然是与N10输出相连的另一个乘法器N8（也称衰减器）大幅减小乘法系数。实际上我们在处理发射机主整过流故障时，曾测试过N8衰减因子，当时测得系数确实比正常值偏小，满功率时只有大约0.666，正常时为0.999。当时查找原因未果，但检查总开通功放板数却是正常的。复合音频信号经过两个乘法器，前面N10放大得多了，后面N8就放大少些，总的输出功率依然能控制正常。现在看来，当时N10因C85电容变质开始漏电时，正是由于N10自带的防取样丢失附加电路的作用使得X1的值不至于下降太多，N10输出的复合信号有增加但尚未大幅增大，一旦发射机工作中电容漏电严重时，可造成X1大幅下降，进而使N10输出大增导致发射机功率输出增加，此时发射机机必会因主整电流过流导致关机;此时值班员开机后通过降功率操作人为减小N8放大倍数，所以发射机依然可以正常工作，但是随着电容漏电进一步加剧，X1的值逐步被拉低，不可避免地出现输出功率激增的问题，所以就造成发射机主整过流，且一旦主整过流保护来不及反应关机，发射机及天馈线系统将非常危险，而事实也的确如此。

事后回看发射机故障，发现该故障还曾引发数次输出功率表不同幅度的摆动，并引起了主整过流，当时反复检查未能查明原因。现在分析，当初发射机功率突然变大，正是由于电容漏电使模拟乘法电路N10的输入端X1逐渐下降引起，从故障初起时发射机功率表轻微摆动，到发射机输出功率出现激增时，除了开通板子数量增加外单个功放板的输出功率势必大增，输出电流随之增大，势必会发生功放板电流击穿故障，实际上我台功率合成母板上56芯插座以及功放板56芯输出插头都曾发生过电流击穿故障，合成母板+230电源连接插头也出现了过流击穿故障，当时故障修复后发射机开机正常。尽管无意中通过降功率操作保证了发射机在正确的功率上，但是发射机隐性故障未消除，直到电容漏电严重，严重影响电声指标，才查明真正故障所在。本次故障彻底处理后，发射机再未发生过输出功率大幅变化以及主整过流故障，也未发生合成母板上+230主整电源电流击穿故障以及功放输出端过流击穿故障，发射机指标保持优良。

5.1.1、为应对N10输入下降潜在风险提出的对策

为防止C85元件失效导致发射机出现异常引发系列故障，笔者认为实际工作中可以直接取消这个为防止高频感应而设的电容。实际上取消了C85高频滤波电容后，测试发射机指标无影响，监听无异常。清除掉C85即使对滤除高频感应不利，相比因其失效引发系列故障要好，因为有些故障对发射机是致命危险。虽然后期该机退出了工作序列，但是模拟乘法器还在现有设备上得到广泛应用，撰写此文是为了更好总结过去的工作，是笔者多年维护数字发射机一点心得。由于作者理论水平有限，以上观点不一定正确，望批评斧正。

主要参考文献：

（1）AM103S5-Ⅰ数字调幅发射机技术说明书。国营陕西广播通讯设备厂

（2）张丕灶刘峰等《数字式调幅中波发射机》厦门大学出版社出版

（3）段尚枢《运算放大器应用基础》哈尔滨工业大学出版

（4）刘吉坤戈义志范洪清《数字调幅中波广播发射机的原理与维护》湖北省荆州中波台出版

（5）吴启琼《声像与电脑》2007年第3期湖北省内部资料准印第2065/WH号

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