數(shù)字電位器在雷達(dá)多通道接收機(jī)中的應(yīng)用

摘要：近代雷達(dá)多通道接收機(jī)采用機(jī)械電位器進(jìn)行通道間幅度校準(zhǔn)，機(jī)械電位器不能在艦栽機(jī)的濕熱及高震動條件下穩(wěn)定可靠的工作，為避免這一缺點，擬采用數(shù)字電位器替代機(jī)械電位器。在分析了現(xiàn)有機(jī)械電位器應(yīng)用電路的基礎(chǔ)上，提取出數(shù)字電位器性能指標(biāo)要求，然后使用數(shù)字電位器模型進(jìn)行了分析、仿真。最后選用X9312進(jìn)行了常溫試驗和高低溫試驗，實驗結(jié)果表明數(shù)字電位器可以替代機(jī)械電位器進(jìn)行多通道接收機(jī)幅度較準(zhǔn)，從而使改進(jìn)后的多通道接收機(jī)適用于艦載機(jī)的工作環(huán)境。
關(guān)鍵詞：數(shù)字電位器；機(jī)械電位器；雷達(dá)多通道接收機(jī)；X9312

    雷達(dá)多通道接收機(jī)要求各通道在輸入同一信號時，輸出信號幅度差控制在一定的范圍內(nèi)。多通道接收機(jī)會用一個可調(diào)環(huán)節(jié)來保證通道增益的一致性。某種雷達(dá)接收機(jī)通過調(diào)整機(jī)械電位器來調(diào)整放大器的增益，從而保證通道一致性。但是機(jī)械電位器不適用工作于艦載機(jī)的高濕熱及震動條件下，所以本文討論用數(shù)字電位器替代機(jī)械電位器的可行性及要求。

1 機(jī)械電位器與數(shù)字電位器優(yōu)缺點
    機(jī)械電位器是無源器件，阻值連續(xù)可調(diào)，連接使用方便。但有以下缺點：不容易從雷達(dá)接收機(jī)外部調(diào)節(jié)；抗震性能不好；端子有機(jī)械磨損，時間久了阻值會變化。生產(chǎn)過程中其調(diào)整次數(shù)有限；調(diào)整周期長；調(diào)整端子需要涂覆固定。工作于艦載機(jī)等高濕熱、震動條件時，機(jī)械電位器環(huán)境適應(yīng)性差問題突出。
    數(shù)字電位器為采用集成電路工藝制成的三端可變電阻器件，具有以下優(yōu)點：無滑片磨損；重復(fù)性好，密封性好，不易受污染，防潮濕，抗震動，抗沖擊。生產(chǎn)時容易與單片機(jī)或計算機(jī)接口，可從分組件外自動調(diào)節(jié)。調(diào)整后的電阻值基本不受溫度、濕度、壓力等環(huán)境因素的影響，使用壽命長，能提高系統(tǒng)的可靠性。以上特性為其工藝本身所特有的優(yōu)點，所以只要其電性能可以替代機(jī)械電位器，就可以提高電路的環(huán)境適應(yīng)性。

2 現(xiàn)有機(jī)械電位器電路分析
    為保證選用數(shù)字電位器后對目前電路兼容，先對現(xiàn)有機(jī)械電位器工作電路進(jìn)行分析。
    機(jī)械電位器應(yīng)用于可調(diào)增益放大器的原理如圖1所示。圖1中V_ADJ是可調(diào)增益放大器的增益調(diào)整端，改變V_ADJ電壓可調(diào)整通道的增益，R1為2 kΩ可調(diào)電阻，R2為固定電阻，調(diào)整R1的阻值間接改變了放大器的增益。實測的放大器V_ADJ電壓與輸出增益之間的關(guān)系如表1所示。

    由此繪制的控制電壓與增益之間的曲線如圖2所示。

    分析其中的線性增益部分，可得以下結(jié)論：調(diào)整機(jī)械電位器實際改變了控制端的電壓，該電壓在4．4～7．4 V范圍內(nèi)每增加0．1 V，輸出增益增加約1．38 dB。該指標(biāo)是數(shù)字電位器的選型基礎(chǔ)。

3 數(shù)字電位器基本原理
    數(shù)字電位器內(nèi)部簡化原理如圖3所示。將n只結(jié)構(gòu)相同的電阻串聯(lián)在RH，RL之間，每只電阻的兩端分別經(jīng)過一個由CMOS管或者NMOS管構(gòu)成的模擬開關(guān)連在一起，作為數(shù)字電位器的抽頭，這種模擬開關(guān)等效為單刀單擲開關(guān)，在數(shù)字信號的控制下每次只能有一個模擬開關(guān)閉合，從而將串聯(lián)電阻的一個節(jié)點連接到滑動端。

    對數(shù)字電位器集成電路進(jìn)行計算機(jī)仿真的SPICE(Simulation Program with Intergrate Circuit Emphasis)模型如圖4所示。其中R為數(shù)字電位器的總電阻，RW為滑動端電阻，CW為滑動端的電容，CH和CL分別為數(shù)字電位器高端、低端對地的電容，因所論述的數(shù)字電位器工作在近似直流的條件下，所以不考慮其中的分布電容對電路性能的影響。

4 數(shù)字電位器選型過程
    數(shù)字電位器選型時主要考慮以下指標(biāo)：觸點數(shù)；總阻值及誤差；引腳電壓；滑動端電阻及最大電流；溫度系數(shù)。
4．1 觸點數(shù)選擇
    因所選數(shù)控電位器線性控制電壓在4．4～7．4 V之間，所以計算可得數(shù)字電位器觸點數(shù)與最高控制精度之間的關(guān)系如表2所示。

    兼顧指標(biāo)和成本，選擇數(shù)字觸點數(shù)為100或128的數(shù)字電位器。
4．2 數(shù)字電位器滿量程電阻值選擇
    數(shù)字電位器常見的滿量程阻值有以下幾種：1 kΩ，10 kΩ，50 kΩ。
    數(shù)字電位器阻值選取時需考慮：其工作電流要遠(yuǎn)大于V_ADJ端的電流，同時最大工作電流一般不超過3 mA。所以選取阻值為10 kΩ。
4．3 數(shù)字電位器其他參數(shù)選擇
4．3．1 工作電壓選擇
    由上述電路分析可知，數(shù)字電位器的I／O端口工作電壓為0～15 V。
4．3．2 接口選擇
    數(shù)字電位器常見的接口包括以下8種：按鍵式接口，單線接口，I2C總線接口，三線加減式串行接口，SPI總線接口，Microwire總線接口和兩線并行接口。受多通道接收機(jī)PCB板上面積限制，所選器件在保證性能的前提下優(yōu)先選擇引腳數(shù)比較少的器件。

4．3．3 偏置電路選擇
    為保證數(shù)字電位器步進(jìn)精度，在總阻值為10 kΩ時，分壓范圍需處于4．4～7．4 V，所以需要為其選擇合適的分壓電阻R1和R2，其仿真電路如圖5所示，仿真結(jié)果如圖6所示。

    由圖5和圖6可見，在選取R1=6．56 kΩ和R2=15．8 kΩ后，可調(diào)電位器的阻值步進(jìn)使控制電壓處于線性段，從而達(dá)到線性調(diào)節(jié)通道增益的目的。

5 數(shù)字電位器X9312
    X9312為Intersil公司的數(shù)字電位器，其主要性能參數(shù)如表3所示。

    由表3可知，X9312滿足多通道接收機(jī)增益調(diào)整電路對數(shù)字電位器的所有要求，下面主要對該器件RW電阻和溫度系數(shù)對控制端電壓的影響及接口設(shè)計進(jìn)行簡要分析。
5．1 滑動端電阻RW對控制端電壓的影響
    RW為數(shù)字電位器的觸頭電阻，電路中相當(dāng)于在圖3所示的R2和R_VAR之間串聯(lián)了一個40 Ω的電阻。該電阻與R2(15．8 kΩ)串聯(lián)分壓最大為75 nV，所以可忽略該電阻對通道增益的影響。
5．2 溫度系數(shù)對控制端電壓的影響
    X9312溫度系數(shù)為±20 ppm，當(dāng)R_VAR阻值為10 kΩ時，全溫度范圍內(nèi)電阻值變化為±0．2 Ω，對分壓基本無影響，所以認(rèn)為數(shù)字電位器阻值在全溫度范圍內(nèi)不變。
5．3 數(shù)字電位器控制電路設(shè)計
    數(shù)字電位器通過處理機(jī)和三根數(shù)據(jù)線進(jìn)行電阻的調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)的鎖存，在此不詳細(xì)分析其控制時序，僅討論端的電路設(shè)計。
    端在器件工作期間保持為低電平。當(dāng)端和端同時為高時將當(dāng)前的寄存器數(shù)據(jù)鎖存入存儲器，達(dá)到重新上電后數(shù)字電位器阻值不變的目的。所以端需要工作在高或者低的狀態(tài)下，為達(dá)到該目的，將端通過10 kΩ下拉電阻進(jìn)行接地。加過下拉電阻后的端正常工作時為低電平，需要鎖存數(shù)據(jù)時，外部將該端電平設(shè)置為高即可?？刂平涌陔娐穲D如圖7所示。

6 高低溫測試數(shù)據(jù)分析
    在高溫和低溫條件下對數(shù)字電位器電路進(jìn)行測試，為了忽略放大器增益隨溫度變化對數(shù)字電位器分壓特性的影響，選擇測量V_ADJ端電壓進(jìn)行記錄。只要V_ADJ端控制電壓控制特性良好就說明數(shù)字電位器有良好的分壓特性。
    全溫度范圍內(nèi)測得的V_ADJ端電壓與仿真及計算結(jié)果相同，控制端電壓變化小于1 mV，所以僅用常溫數(shù)據(jù)繪制V_ADJ電壓與數(shù)字電位器控制值的關(guān)系。結(jié)果如圖8所示。

    由圖8可知，當(dāng)數(shù)字電位器的控制值步進(jìn)時，V_ADJ端電壓近似線性地進(jìn)行步進(jìn)，從而使放大器增益以0．47 dB步進(jìn)調(diào)整。證明可以用數(shù)字電位器來代替模擬電位器進(jìn)行多通道接收機(jī)的幅度校準(zhǔn)。

7 結(jié)語
    由上述論述可知，X9312完全可以滿足雷達(dá)多通道接收機(jī)對增益調(diào)整的要求。所需外圍電路與傳統(tǒng)的機(jī)械電位器相比有所增加，但是可以明顯地提高雷達(dá)多通道接收機(jī)在溫度、濕熱和振動條件下的可靠性。