一型實(shí)用遙控設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郭 京，蘇德章

(1.中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧葫蘆島125000;2.中國(guó)人民解放軍91202部隊(duì)，遼寧葫蘆島125004)

0 引言

工程實(shí)踐中經(jīng)常需要對(duì)水面無(wú)人職守浮體上設(shè)備進(jìn)行遙控，在某些特定場(chǎng)合，浮體環(huán)境孤立且本身易遭破壞。因此，對(duì)遙控設(shè)備的可靠性和費(fèi)效比提出了更高要求，但原遙控設(shè)備采用分離元器件，且編碼、譯碼、發(fā)射、接收和電源等單元自成一體，相互間用線纜連接，使其體積和重量大、故障率高、可靠性差。為滿足其特定使用需求，提高可靠性，設(shè)計(jì)了一型簡(jiǎn)單實(shí)用的多功能遙控設(shè)備。

1 遙控設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 總體設(shè)計(jì)思路

原遙控設(shè)備從維修快速性考慮，把本應(yīng)合二為一的編碼器與發(fā)射機(jī)、接收機(jī)與譯碼器分機(jī)殼安裝，采用接插件和線纜連接，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖有利于快速更換、維修，但在潮濕環(huán)境下卻極易導(dǎo)致故障頻繁、可靠性降低。同時(shí)，還由于功放電路采用多個(gè)功率管并聯(lián)使用，一旦失配燒毀其中一個(gè)會(huì)引起連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致整個(gè)發(fā)射機(jī)不能工作。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，該設(shè)備的絕大多數(shù)故障是上述原因造成的。

針對(duì)該設(shè)備存在的問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際使用，新遙控設(shè)備的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題:

①發(fā)射機(jī)與編碼器具備雙機(jī)自動(dòng)切換功能，一旦一套發(fā)射機(jī)發(fā)生故障，能自動(dòng)切換到另一套;

②發(fā)射機(jī)、接收機(jī)采用高性能抗失配設(shè)計(jì)，避免天線失配造成燒毀功放管或靈敏度降低等問(wèn)題;

③接收機(jī)采用輸出短路保護(hù)設(shè)計(jì)，避免被控設(shè)備短路而無(wú)法完成后續(xù)控制任務(wù);

④盡量選用標(biāo)準(zhǔn)件和成熟技術(shù)，在保證可靠性的前提下提高效費(fèi)比。

1.2 遙控設(shè)備組成

遙控設(shè)備由發(fā)控和接收2個(gè)部分組成，其組成框圖如圖1所示。發(fā)控部分由編碼電路、調(diào)制倍頻電路、功率前置放大電路、功放輸出電路、天線和自動(dòng)切換電路及電源等部分組成;接收部分由高頻放大選頻電路、二次中放變頻電路、鑒頻整形、解碼輸出、執(zhí)行電路、天線和蓄電池組等部分組成［1，2］。

圖1 遙控設(shè)備組成

1.3 單元電路選擇與設(shè)計(jì)

1.3.1 編譯碼、前置放大及接收電路

根據(jù)總體設(shè)計(jì)思想，為降低成本、提高可靠性，包含編碼、調(diào)制倍頻、功率前置放大等電路的發(fā)射模塊和包含高頻放大選頻、二次中放變頻、鑒頻整形、譯碼等電路的接收模塊選用配對(duì)成品遠(yuǎn)距離無(wú)線遙控組件［3］。遙控遙控采用數(shù)字電路密碼編址，其密碼多達(dá)32萬(wàn)組，并可通過(guò)外部引腳靈活設(shè)置，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路和繼電器可構(gòu)成4位鎖存或非鎖存遙控開關(guān)，還可使用16通道轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行二次譯碼擴(kuò)展到15位。因此，有很強(qiáng)的抗干擾性和較好的保密性。組件外圍配以發(fā)令按鍵、接收顯示和驅(qū)動(dòng)等電路，即可實(shí)現(xiàn)指令編碼、調(diào)制和譯碼、顯示及執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。這種設(shè)計(jì)既簡(jiǎn)化了電路、降低了成本，又提高了抗干擾能力。

1.3.2 功放電路

功率放大電路由功放管、匹配網(wǎng)絡(luò)和偏置電路等部分組成。功放管采用美國(guó)摩托羅拉公司生產(chǎn)的N溝道增強(qiáng)型高頻大功率場(chǎng)效應(yīng)管MFR174。該管的主要特點(diǎn)是增益高、功率大、噪聲低、偏置電路簡(jiǎn)單，且能承受較大失配而不損壞。

1.3.3 雙機(jī)自動(dòng)切換電路

雙機(jī)自動(dòng)切換電路的主要作用是當(dāng)主發(fā)射機(jī)發(fā)生故障無(wú)法正常工作時(shí)，備用發(fā)射機(jī)能自動(dòng)接替主機(jī)工作，完成指令發(fā)送。這要求切換電路在瞬間要完成2個(gè)動(dòng)作:立即切斷主發(fā)射機(jī)功放電路的供電，并接通備份機(jī)功放的電源;將天線從主機(jī)轉(zhuǎn)接到備份機(jī)的發(fā)射輸出單元。這2個(gè)動(dòng)作必須瞬間可靠完成。因此，設(shè)計(jì)時(shí)首要選擇合適的開關(guān)器件，此電路中選用固態(tài)繼電器作開關(guān)器件，因其能有效克服機(jī)械繼電器觸點(diǎn)在大電流時(shí)易產(chǎn)生電弧火花的不足，提高可靠性。

雙機(jī)自動(dòng)切換電路由整流、驅(qū)動(dòng)和延時(shí)電路等組成。整流電路的作用是將主機(jī)發(fā)射單元輸出的載波信號(hào)整形變?yōu)橐欢ǚ鹊闹绷麟妷?，?qū)動(dòng)電路的作用是根據(jù)整流信號(hào)控制相應(yīng)繼電器的閉合、斷開，實(shí)現(xiàn)發(fā)射天線和射電源的轉(zhuǎn)換。延時(shí)電路的作用是保證在電路剛接通電源的瞬間，主發(fā)射機(jī)的發(fā)射單元尚無(wú)載波信號(hào)時(shí)避免電路切換，即主機(jī)開機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)換電路不工作，而只在主機(jī)故障時(shí)才進(jìn)行電路切換。

1.3.4 電路保護(hù)功能

為滿足安全使用要求，系統(tǒng)中設(shè)置2處保護(hù)電路:①在電源中設(shè)置了防反接電路、防止電源接反而損壞設(shè)備;② 接收機(jī)輸出短路保護(hù)電路，以防止在點(diǎn)燃曳光管過(guò)程中因曳光管短路而引起的電源短路，造成保險(xiǎn)管斷而無(wú)法再次點(diǎn)燃曳光管(以往時(shí)有發(fā)生)。

(1)電源防反接電路

該電路只使用了一只肖特基二極管即實(shí)現(xiàn)了反接保護(hù)的作用。肖特基二極管屬于低功耗、大電流、超高速半導(dǎo)體器件，其反向恢復(fù)時(shí)間Trr可小到幾個(gè)ns，正向?qū)▔航祪H0.4 V左右，而整流電流卻可達(dá)幾kA，接入后對(duì)供電電壓無(wú)影響。

(2)接收機(jī)輸出短路保護(hù)電路

經(jīng)分析論證，設(shè)計(jì)了3種輸出短路保護(hù)電路:電子限流保護(hù)電路、固定電阻保護(hù)電路和PTC熱敏電阻保護(hù)電路［4］。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，電子限流保護(hù)電路可保證輸出短路時(shí)，接收機(jī)保險(xiǎn)管及其單元電路不被燒毀，但該電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試難度大。固定電阻保護(hù)電路是在每一個(gè)繼電器的輸出端串接一支合適的電阻，電阻的取值既要保證流過(guò)保險(xiǎn)管的電流小于接收機(jī)電源保險(xiǎn)管的最大耐流值，又能可靠地點(diǎn)燃曳光管(經(jīng)試驗(yàn)點(diǎn)燃曳光管電流應(yīng)大于0.4 A)，即可起到限流作用，從而保護(hù)接收機(jī)保險(xiǎn)不被燒毀，接收機(jī)仍處于正常待機(jī)狀態(tài)。但其存在一個(gè)致命問(wèn)題，即在點(diǎn)燃一支曳光管后電路短路時(shí)，短路電流將一直存在，很快會(huì)將蓄電池的電量放光，導(dǎo)致電池?fù)p壞使得接收機(jī)無(wú)法工作。而PTC熱敏電阻保護(hù)電路，利用PTC電阻率在特定溫度時(shí)發(fā)生突變的特性而設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)中選用的PTC標(biāo)稱電阻值為12 Ω，接收機(jī)的供電電壓24 V、保險(xiǎn)的額定電流3 A，當(dāng)電路正常時(shí)，輸出回路電流為I=24/Rtl=24/12=2 A，能可靠點(diǎn)燃曳光管而不會(huì)燒毀保險(xiǎn)。一旦某一路短路時(shí)，此時(shí)回路電流維持在2 A，由于熱敏電阻具有正溫度特性，使其溫度迅速上升的同時(shí)阻值急劇增大到1.5 kΩ，此時(shí)回路電流僅為IK=24/Rtl=16 mA，由此可見(jiàn)，即使執(zhí)行電路的輸出端一直對(duì)地短路，由于PTC的作用，幾乎對(duì)電池電壓無(wú)影響，仍能使其他執(zhí)行電路正常工作。

2 調(diào)試與性能檢測(cè)

2.1 設(shè)備組裝與調(diào)試

根據(jù)總體思路和主要器件選型進(jìn)行了原理圖的設(shè)計(jì)，并根據(jù)原理圖完成了以MRF174為主的發(fā)射電路，以及按鍵、接收顯示和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等印刷板圖、設(shè)備的面板圖及裝配結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了原理樣機(jī)的組裝，并按各部分的功能對(duì)發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率、自激的消除、與天線的良好匹配以及接收機(jī)靈敏度等方面進(jìn)行了嚴(yán)格調(diào)試，達(dá)到了預(yù)期效果。

調(diào)試過(guò)程中主要解決了發(fā)射機(jī)自激問(wèn)題。由于電路設(shè)計(jì)或其他原因，調(diào)試時(shí)電路產(chǎn)生過(guò)2種自激:①靜態(tài)自激，即輸入端不加激勵(lì)信號(hào)時(shí)，在剛加電的瞬間，電流突然上升，或者是在靜態(tài)調(diào)試時(shí)，當(dāng)調(diào)到某一位置時(shí)，電流突然上升到規(guī)定值以上;②動(dòng)態(tài)自激，即靜態(tài)時(shí)不自激，而在加上激勵(lì)信號(hào)后，電流上升到規(guī)定值以上，這時(shí)即使去掉激勵(lì)信號(hào)，發(fā)射機(jī)電流仍保持在正常調(diào)試值以上，用高頻示波器觀察輸出的自激振蕩的波形，頻率在75 MHz左右。發(fā)射機(jī)自激極易燒毀功放管。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，采用下列措施解決了問(wèn)題［5-7］:

①合理布置元器件的安裝位置;輸入、輸出信號(hào)嚴(yán)格隔離，破壞產(chǎn)生正反饋的條件;

②印刷電路板大面積接地，屏蔽盒良好接地;

③加強(qiáng)對(duì)供電電源的濾波;

④單獨(dú)屏蔽功放電路。

2.2 性能測(cè)試

性能測(cè)試分2步進(jìn)行:首先對(duì)接收靈敏度、發(fā)射功率和誤碼率等指標(biāo)和自動(dòng)切換、自動(dòng)短路保護(hù)等功能進(jìn)行檢測(cè)與考核，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和功能均達(dá)到或超過(guò)總體設(shè)計(jì)要求;第2階段主要在海上實(shí)際使用條件下考核其有效遙控作用距離及對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)能力。遙控作用距離試驗(yàn)時(shí)，將接收端和發(fā)控端分別布站在2個(gè)船上，天線高度均為15 m，要求控制距離為30 km，實(shí)測(cè)可靠、穩(wěn)定控制距離為45 km以上;將發(fā)控端移到陸上，在通視距離內(nèi)控制距離達(dá)90 km以上。在作用距離測(cè)試中系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，無(wú)漏碼、誤碼現(xiàn)象。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)內(nèi)外場(chǎng)測(cè)試，新遙控設(shè)備的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和功能滿足設(shè)計(jì)、使用要求，在批量制造并投入使用2年內(nèi)不需要進(jìn)行發(fā)射功率、接收靈敏度的調(diào)試，仍能穩(wěn)定可靠工作，且整個(gè)設(shè)備造價(jià)低廉，僅為同類設(shè)備的1/20，重量?jī)H為同類設(shè)備的1/5。測(cè)試和實(shí)際使用證明:該設(shè)備整體設(shè)計(jì)合理、原理簡(jiǎn)單、元器件易購(gòu)價(jià)廉，所有功能均由硬件實(shí)現(xiàn)。具有可靠性高、維護(hù)操作簡(jiǎn)便、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

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