廣播音頻信號自動檢測器中仿真技術(shù)的應(yīng)用

王奇云，劉金星

（海峽之聲廣播電臺，廈門，福建 361024）

1 引言

電路仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子電路系統(tǒng)的分析和設(shè)計中。計算機仿真不僅可以取代許多繁瑣的人工分析，減輕工作強度，提高分析和設(shè)計能力，避免因為解析法在近似處理中帶來的較大誤差，還可以與實物試制和調(diào)試相互補充，最大限度地降低設(shè)計成本，縮短系統(tǒng)研制周期?？梢哉f，電路仿真技術(shù)大大加速了電路的設(shè)計和實現(xiàn)過程。

在廣播發(fā)射領(lǐng)域中，為了將調(diào)頻節(jié)目內(nèi)容安全、優(yōu)質(zhì)地發(fā)送出去，除了要有高質(zhì)量、高性能的發(fā)射設(shè)備外，還應(yīng)隨時監(jiān)聽發(fā)射節(jié)目的信號，為了及時監(jiān)聽信號源和發(fā)射設(shè)備的運行狀態(tài)，需要設(shè)計制作一套音頻信號監(jiān)測告警裝置。本文將以Protel仿真軟件為仿真平臺，闡述在音頻檢測器設(shè)計中進行仿真分析的關(guān)鍵技術(shù)與相關(guān)過程。

本文中采用的電路仿真平臺Protel99SE軟件，提供了高級數(shù)/模器件混合仿真功能，其仿真引擎使用的是伯克利分校的SPICE3f5/Xspice，它可精確地仿真由各種器件(比如TTL，CMOS，BJT等)構(gòu)成的電路。同時不需要用戶自己去編寫電路網(wǎng)表文件，系統(tǒng)將根據(jù)所畫電路自動生成網(wǎng)表并進行仿真。Protel仿真特點主要有：Protel軟件具有強大的模/數(shù)混合信號電路仿真能力，能提供連續(xù)的模擬信號和離散的數(shù)字信號仿真，并且可以分析電路各方面的性能，如電路的交直流特性、溫度漂移、噪聲、失真、容差、最壞情況等；Protel為每種分析類型都提供了一組設(shè)置參數(shù)，通過設(shè)置對話框可方便地設(shè)置所需的各種參數(shù)；Protel提供了20多個模擬和數(shù)字器件仿真元件庫，共包含6 000多個常用元器件[1]。

廣播音頻信號自動檢測器設(shè)計要求有：信號源出現(xiàn)問題，導(dǎo)致發(fā)射機無音頻信號輸出；激勵器音頻處理器、音頻放大器發(fā)生故障，無調(diào)制信號輸出，導(dǎo)致發(fā)射機無音頻、無載波信號輸出；發(fā)射機設(shè)備都正常，而前端或中心臺音頻信號停傳，導(dǎo)致發(fā)射機無音頻信號輸出；此監(jiān)測裝置在音頻信號中斷后，延時8秒鐘以上發(fā)出報警，提醒值班人員。

2 檢測器的基本結(jié)構(gòu)與一般電路分析

2.1 電路基本結(jié)構(gòu)

運用Protel仿真技術(shù)，結(jié)合一般的電路設(shè)計知識與廣播音頻信號的特點設(shè)計的檢測器如圖1所示，該電路共分為五個部分：①音頻信號輸入端；②音頻信號放大部分；③音頻信號檢波部分；④檢波信號觸發(fā)555時序啟動部分；⑤檢測電壓輸出與報警輸出部分。

2.2 一般電路分析

如圖1所示，200mV左右的廣播節(jié)目音頻取樣信號，從電路圖中的①部分進入音頻檢測器中，經(jīng)濾波電路進入②部分音頻放大部分，對輸入的音頻信號進行放大，一般來講該型放大電路能將信號放大3～5倍，使信號達到一定的電平以驅(qū)動后級檢波電路。③部分就是檢波電路，根據(jù)該電路的構(gòu)成，要求前級放大電路應(yīng)將信號放大至800mV以上。信號經(jīng)檢波電路后輸出一定電平信號驅(qū)動后級④部分的555時序電路進行翻轉(zhuǎn)，并輸出低電平信號使⑤部分的蜂鳴報警器報警[2]。

3 音頻信號自動檢測器仿真分析

上文的分析采用的一般性的模擬電路分析方法，雖然也能基本了解該電路設(shè)計和運行的一些特點，但是無法時時動態(tài)掌握該電路是否存在設(shè)計缺陷、電路性能是否滿足設(shè)計要求，更主要的是一旦需要進行調(diào)整，就只能采用最原始的方法，逐個元件進行調(diào)試，這樣盲目的方法既費時、費力、浪費器件，又無法科學(xué)有效準(zhǔn)確地找到使電路實現(xiàn)最佳性能的方法。

圖1 音頻檢測器原理圖

通過電路仿真的方法就可以有效解決上述問題。如圖1的電路，其中元器件都是采用Protel軟件中SIM器件庫構(gòu)成，可直接進行仿真分析。在該電路系統(tǒng)中主要采用的是靜態(tài)工作點分析、瞬時特性分析和交流小信號分析。在進行靜態(tài)工作點分析時無需設(shè)置參數(shù)，仿真過程會自動將電路中的電容開路，電感短路，計算并顯示各節(jié)點的對地電壓、阻抗和各元器件的電流、阻抗、功率等，能了解電路元器件選取的合理性以及估計電路的動態(tài)范圍；瞬時特性分析屬于時域分析，反映各種物理量（電學(xué)量）與時間的關(guān)系，相當(dāng)于使用多蹤示波器來直接測量各點信號的波形和間接計算電路的一些指標(biāo)，幫助了解電路的性能，是最常用的分析方法；交流小信號分析屬于線性頻域分析，用于分析電路的幅頻特性，相當(dāng)于使用掃頻儀器測量電路[4]。

3.1 靜態(tài)仿真分析

3.1.1 放大器工作點狀態(tài)分析

在該電路中靜態(tài)仿真分析主要用于對兩個放大電路工作狀態(tài)分析，首先設(shè)置靜態(tài)工作點分析的相關(guān)參數(shù)。依次單擊仿真平臺軟件Protel99SE主界面Simulate→Setup后彈出圖2的界面，該界面就是仿真設(shè)置界面。靜態(tài)工作點仿真只需要勾選Operting Point Analyses就可以。再單擊Run Analyse進行仿真就可以得到圖3的各點靜態(tài)工作電壓值。從表值中可以看出，Q1的工作狀態(tài)vb1=2.572V，vc1=8.575V，ve1=1.914V，滿足放大狀態(tài)電壓要求，Q1可以工作在放大狀態(tài)，而Q2的工作狀態(tài)vb2=6.965mV，vc2=8.571V，ve2=0V，此時不滿足放大狀態(tài)要求，Q2不導(dǎo)通。

圖2 靜態(tài)工作點設(shè)置界面圖

圖3 靜態(tài)工作電壓值

3.1.2 音頻信號阻抗匹配分析

在音頻信號的傳輸與檢測系統(tǒng)中，各電路間的阻抗匹配是十分重要的參數(shù)，特別是作為文中設(shè)計的檢波器是音頻信號的告警系統(tǒng)，如果不能滿足阻抗匹配條件，將會造成嚴(yán)重的音頻信號衰減和變形，極大地影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和靈敏度。

針對文中的檢波器，運用仿真技術(shù)對其進行阻抗性能分析主要是信號的輸入阻抗匹配分析，圖1中①部分電路中Ri就是輸入信號的源內(nèi)阻，一般為50Ω，那么需要與其進行匹配的阻抗就是vi[z]，也就是vi作為源信號對后續(xù)電路形成的阻抗應(yīng)該為50Ω。其對應(yīng)電路如圖4所示。

進行阻抗分析需要做如圖5的設(shè)置，并使用交流小信號分析法，對電路的頻響與阻抗?fàn)顟B(tài)進行分析。

在圖5中，上方的需要選擇AC Small Signal Analyses項，在下方的設(shè)置菜單中，根據(jù)音頻信號的頻譜范圍設(shè)置仿真分析頻率范圍為20Hz～20kHz，仿真分析取樣點100個。運行仿真軟件得到如圖6的仿真結(jié)果?？梢悦黠@看出該電路輸入阻抗vi[z]在設(shè)計頻率范圍內(nèi)為50Ω，滿足設(shè)計要求。

圖4 輸入阻抗分析電路

圖5 輸入阻抗分析設(shè)置菜單

3.2 動態(tài)仿真分析

通過上面的分析可以看出，在沒有音頻信號的靜態(tài)工作狀態(tài)下，Q1放大管滿足放大輸入音頻信號的要求，下面就從音頻信號自動檢測器工作的兩種狀態(tài)對該電路進行瞬時的動態(tài)仿真。

3.2.1 音頻信號自動檢測器啟動過程分析

音頻信號自動檢測器工作啟動過程的要求是電路能快速進入檢測準(zhǔn)備狀態(tài)，不發(fā)生誤報警。打開如圖7的仿真設(shè)置界面，勾選Transient/Fourier Analyses項，并打開Transient/Fourier Analyses選項卡進行仿真參數(shù)設(shè)置。根據(jù)電路工作的基本情況這里設(shè)置仿真起始時間Start Time=0，仿真終止時間=30ms，仿真步進時間=300μs，仿真最大步進時間=300μs。

圖6 輸入阻抗分析結(jié)果

此時運行仿真，可以得到如圖8所示的電路實時仿真圖形。通過仿真結(jié)果可以看出輸入音頻信號vi（1kHz，150mV）經(jīng)過Q1放大后得到vc1（1kHz，1V）（vc1的波形圖可以選擇單信號模式以便于更準(zhǔn)確地進行分析，如圖9所示，圖中標(biāo)尺a和b分別給出了vc1的振幅值為9.8418V和7.8334V，由此可以得出vc1幅度為1V），該信號進入檢波電路后得到輸出信號vb2，由圖8可以看出vb2在5ms后信號幅度達到800mV，Q2的狀態(tài)為vb2=800mV，vc2=8.571V，ve2=0V滿足開通狀態(tài)，此時Q2導(dǎo)通在其集電極輸出電壓vc2，vc2在5ms后電壓由8.571V逐漸下降至0V，在24.2ms時vc2電壓為3.9965V<1/3VCC電壓，555芯片2腳的置位端電壓也小于1/3VCC的置位電壓，使555芯片3腳電壓vo2輸出高電平信號，此時該電路完成啟動準(zhǔn)備狀態(tài)，用時約24ms，時間足夠短滿足了電路啟動不誤報警的要求。

圖7 檢測器啟動過程仿真參數(shù)設(shè)置界面

圖8 檢測器啟動過程仿真波形圖

圖9 vc1電壓波形圖

3.2.2 音頻信號自動檢測器檢測過程分析

音頻信號自動檢測器檢測過程的要求是電路能準(zhǔn)確檢測信號狀態(tài)，并給正常節(jié)目中斷留有相當(dāng)?shù)难訒r，以免發(fā)生誤報警。這里需要注意的是自動檢測器進行檢測的初始條件是信號中斷的時刻，那么vc2電壓值就不是電路初始化時刻的8.751V，而是如圖8所示電路啟動后的0V（圖8中電路啟動后至42ms時vc2電壓降至0V），所以需要在仿真電路上設(shè)置仿真初始條件IC，如圖10所示。

圖10 設(shè)置IC初始值的仿真電路

打開如圖11的仿真設(shè)置界面，勾選Transient/Fourier Analyses項，并打開Transient/Fourier Analyses選項卡進行仿真參數(shù)設(shè)置。根據(jù)電路工作的基本情況這里設(shè)置仿真起始時間Start Time=0，仿真終止時間=1.5s，仿真步進時間=10ms，仿真最大步進時間=10ms。

圖11 檢測器檢測過程仿真參數(shù)設(shè)置界面

此時運行仿真，可以得到如圖12所示的電路仿真波形圖。從各信號波形圖可以看出，當(dāng)音頻信號突然中斷時，vc2開始從初始的0V電壓逐漸升高，也就是圖12中電源電壓開始向電容C5充電的過程，在0.93s時vc2電壓充電達到了8V≥2/3VCC，此時555芯片6腳復(fù)位門限電壓滿足了大于等于2/3電源電壓的條件，觸發(fā)了復(fù)位條件，使輸出電壓vo2變?yōu)榈碗娖?，完成信號的檢測。

信號檢測的功能是實現(xiàn)了，可是從圖12中可以看出，該電路檢測時間為0.93s，時間過于短暫，而一般的廣播信號都會有幾秒時間的正常中斷，所以過短的檢測時間會發(fā)生誤報警。

圖12 信號檢測過程分析一

由于檢測時間與C5和R6構(gòu)成的RC電路的充放電密切相關(guān)，下面就通過調(diào)整C5的值來觀察檢測時間的變化，將C5值變大為20μF，再進行上述仿真，得到如圖13所示的波形圖。通過讀圖中標(biāo)尺可以看出vo2輸出翻轉(zhuǎn)時間延長至9.2s，也就是廣播音頻信號中斷時長達9.2s后，檢測器才會告警，這一時長基本滿足了廣播信號檢測的要求。

圖13 信號檢測過程分析二

4 結(jié)束語

從以上分析可以看出，通過使用靜態(tài)工作點、交流小信號、阻抗、瞬時相應(yīng)等仿真技術(shù)，結(jié)合檢波器的自身特性，對本文所構(gòu)建的廣播信號自動檢測器進行了工作狀態(tài)、阻抗匹配、啟動過程和信號檢測過程的細致分析，使設(shè)計和使用者都能非常好的了解和掌握電路運行的時時狀態(tài)，并能根據(jù)仿真結(jié)果科學(xué)有效的調(diào)整電路，使檢測器的性能達到了最佳狀態(tài)。

[1] 清源科技.Protel99se電路原理圖案設(shè)計與仿真技術(shù)[M] .北京：機器工業(yè)出版社，2007

[2] 陳斌，袁振東，丁大元.音頻信號分析儀制作與討論[J] .電氣電子教學(xué)學(xué)報，2008

[3] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M] .北京：高等教育出版社，1999

[4] 王正謀.Protel99se電路設(shè)計與仿真技術(shù)[M] .福州：福建科學(xué)技術(shù)出版社，2005