信号转换和放大元件：原理和应用

传感器信号、控制信号等在炮控系统内部传递过程中，常需要对信号的形式进行变换，但在信号转换过程中，有效信号应保证不失真地传递，并能抑制噪声。信号转换过程通常在炮控系统的放大器或控制箱中完成，包括振幅调制、相位调制、脉宽调制、相敏整流、旋变信号解码等。

同时，在炮控系统控制箱中还要完成模拟控制器的构建，通常采用PID控制策略，用有源超前滞后网络完成系统补偿。下面就几种典型电路进行分析。

1.相敏整流电路

相敏整流电路是炮控系统中的常用电路，通常为开关式。老型炮控系统用电子管实现，后续用场效应管实现。典型相敏整流电路如图4-45所示。放大器N1 为一过零比较器，其反相输入端加正弦交流电信号U，同相输入端接地。当U1 为正半周时，比较器输出电压达到负向最大值U-M；当U1 为负半周时，比较器输出电压达到正向最大值U+M。比较器的输出电压加到场效应管V的栅极，控制场效应管的通断，场效应管起电子开关作用，当栅极加电压U+M时，场效应管导通；当栅极加电压U-M 时，场效应管断开。场效应管的通断，使放大器N2 工作于不同的方式。当场应管导通时，放大器N2 为反相放大器工作形式，U3=-U2；而场效应管断开时，放大器N2 为同相放大器工作形式，U3=U2。

图4-45　相敏整流电路图

这样当放大器N2 的输入信号为正弦交流电压，而场效应管的通断又恰好在交流信号正、负半周交接处变化时，可把交流电压变化为脉动直流电压，并且放大器N2 输出电压的极性随着输入电压的相位变化而变化。其电压波形如图4-46所示。

图4-46　相敏整流电路电压波形图

（a）U2 与U1 电压同相位时的输入/输出关系图；（b）U2 与U1 电压反相位时的输入/输出关系图

随着技术的发展，单片集成的相频整流芯片也得到了运用。其中国产的LZX1 芯片具有较好的代表性。LZX1 单片集成电路是一种全波相敏整流电路，它输出的直流电压不仅与输入交流信号电压的幅值成正比，而且与输入交流信号的相位有关，它们之间的关系可用下式表达：

式中，k 为整流系数；Usr 为输入交流电压的振幅；θ 为输入电压与参考电压之间的相位差。

LZX1 芯片由一个包括方波发生器和斩波管在内的相敏解调器和一个运算放大器组成。

2.功率放大电路

功率放大通常由达林顿管完成。典型电路如图4-47所示。控制信号由放大器N5 和N6 的输出作为输入信号，分别供给三极管V1 和V2。放大器以桥式电路的形式输出，负载为执行元件的一个控制绕组（3 和4），它跨接在三极管V1、V5 和V2、V6 的集电极上。此放大器的主要作用是对直流信号进行功率放大，并且能反映出信号的极性，用于控制执行元件。

当放大器N5 和N6 无信号输入给V1 和V2 时，V1 和V2 的基极同为电压U1 控制，由于电路的对称性，故通过V1、V5 和V2、V6 管子的电流相等，V1、V5 和V2、V6 集电极处的电位相等，故无电流流过执行元件的控制绕组。但实际上由于很难保证电路的对称性，故在N5 和N6 无信号输出时，也可能会有一定的电流（称作零位差动电流）流过控制绕组。为了补偿电路的不对称，在电路中设置了电位器RP6，通过调整RP6，即可达到N5 和N6 无信号输出时，零位差动电流为零。技术条件规定，零位电流应小于200 μA。

当N5 和N6 有信号输出时，例如UN5＞UN6（即UN5 的电压极性为正，而UN6的电压极性为负），则流过V2、V6 的电流增大，而流过V1、V5 的电流减小，所以，在电阻R71 上的压降大于电阻R70 上的压降，故V1、V5 集电极处的电位将高于V2、V6 集电极处的电位，这时执行元件控制绕组中便有电流流过，且差动放大器输入信号UN5 和UN6 的差值越大，流过控制绕组中的电流也越大。

当差动控制信号的极性相反时，如UN5＜UN6，则V2、V6 集电极处的电位将高于V1、V5 集电极处的电位，这时流过执行元件控制绕组的电流方向也将随之改变，从而达到控制电动机放大机和炮塔电动机系统的目的。差动式直流放大器可减小电源电压变化对放大器输出的影响。当电源电压变化时，由于电路两边的对称性，故对两边的电路影响相同。当输入信号UN5=UN6 时，V1、V5 集电极处的电位仍同于V2、V6 集电极处的电位，故通过执行元件控制绕组中的电流仍然为零。

图4-47　典型功率放大电路

3.旋变转换电路

旋变输出的是正余弦交流信号，为获取测量的角度，需要对其解码。现代炮控系统中常用标准化的单片转换器实现这一功能。例如AD2S80A 集成芯片，可以精确地完成角度或位移量的A/D 转换。装备中常用旋变测量镜的方向角和俯仰角、武器系统的俯仰角、上反射镜与炮塔的相对方向角4 个位置信号。因此，常设计RDC 板包括4 路RDC 转换电路，将相关信号转换为角度转化为数字量，原理如图4-48所示。其中，ref 为频率为400 Hz 参考电压，RDC转换电路分别将它们转换成16 位数字量。另外，AD2S80A 还可以提供与速度成正比且线性误差不超过1% 的模拟信号，在很多应用中，可用于取代速度传感器，通过伺服控制和提供的速度反馈数据使环路稳定。

图4-48　RDC 板原理框图

4.典型放大与校正电路设计

炮控系统中，典型的放大与校正电路设计如图4-49所示。主体包含信号综合、相频整流、比例放大、积分放大及功率放大等部分。总体通常采用PID 的控制方式，通过模拟式超前滞后校正电路，对系统的零极点进行调整与配置，进而获得更好的控制效果。

图4-49　典型放大与校正电路

① 在图中，运算放大器N1、N2 为加法器电路，通常不同工况的角度、速度、加速度等传感器信号在此进行综合处理，形成综合信号。

② 综合信号经过N3 进行比例积分放大后，一路由引脚19 输出，一路经倒相器N4 反相后从引脚21 输出。作为后续开关功率放大电路的基极电压，进而控制执行元件的输入电流，实现火炮控制。

③ 另一部分控制信号由引脚5 输入，经N5 放大，经N6、N7 和V1 组成的相敏整流电路整流后，输出脉动的直流电压信号，经N8 进行比例积分放大，然后一路经N11 进行微分处理后由引脚17 输出（通常是速度信号微分为加速度信号）。另一路经N9 衰减后，分别由引脚8 输出和经N10 信号放大后由引脚18 输出，分别用于控制、显示等。

5.电动机扩大机(www.xing528.com)

电动机扩大机又称为电动机放大机，它由拖动电动机、扩大机组成。拖动电动机与扩大机的电枢装在同一轴上，共用一个机体。拖动电动机是一台普通的直流电动机，由坦克上的26 V 电源供电。扩大机是一台特殊发电机，能够发出不同极性和大小的电压供给炮塔电动机电枢绕组，以控制炮塔电动机转向和转速。

（1）放大系数计算

扩大机是一个利用小功率、弱电流去控制大功率、强电流的机电器件。它的输出功率PSC 与输入控制功率PSR 之比，就称为功率放大系数：

扩大机的输入功率就是控制绕组所消耗的功率，即

式中，IKZ 为控制绕组中的激磁电流；RKZ 为控制绕组的电阻。

扩大机的输出功率即为直轴功率：

式中，EZZ 为直轴电势；RZZ 为直轴电路的总电阻（包括负载电阻）。

由扩大机的工作原理已知，直轴电势可用下列表达式给出：

则电动机扩大机的功率放大系数为：

式中，，各个符号的含义同前。

由上述关系式可知，控制绕组的匝数WKZ 越多，电枢绕组的匝数WS 越多，交轴绕组的电阻RJZ 越小，则扩大机的功率放大系数越大；转子铁芯与定子磁极间的空气隙越小；沿电动机两个轴向的磁导λZZλJZ 越大，则功率放大系数越大；电枢转速越高，则功率放大系数越大。

扩大机为了获得较大的功率放大系数，其转速较高，空气隙较小，一般功率放大系数可达5 000～10 000。由于扩大机有很大的放大系数，控制电路元件的尺寸、质量就较小，操纵方便，可以获得较好的控制精度。

（2）补偿设计

按图4-50所示的基本工作原理图所构成的扩大机，没有负载能力，不能实际应用。这样的扩大机，如果在其输出端接上负载（炮塔电动机），不但无法输出电流，而且连空载时的直轴电势也将消失。这是因为扩大机的控制电流IKZ 和控制磁通ΦKZ 都很小，接通负载后，直轴电枢电流所产生的很强的电枢反应磁通Φz，与控制磁通ΦKZ 方向相反，将控制磁通完全抵消，以致扩大机无法建立直轴电势，因而丧失工作能力。

图4-50　扩大机工作原理图

为了消除直轴电枢反应磁通的去磁影响，在直轴磁极上增设一个补偿绕组B，补偿绕组和电枢绕组串联，如图4-51所示。

当接通负载时，补偿绕组产生的磁通Φb 与直轴电枢反应磁通Φz 方向相反，以补偿它的去磁影响。如果选择得当，使Φb=Φz，电动机扩大机就可以得到完全补偿，可以不受负载电流电枢反应的影响而正常工作。

然而，由于直轴电枢反应磁通要比控制磁通大数十倍，所以补偿程度的少许差异就会影响补偿效果。为了准确地调整补偿程度，在补偿绕组B 上并联一个调整电阻R。调整R 的阻值，可以得到3 种不同程度的补偿，即全补偿、欠补偿和过补偿。这可从扩大机的外特性（输出电压与输出电流的关系特性）看出，如图4-52所示。

图4-51　扩大机补偿原理图

图4-52　扩大机外特性图

全补偿：当调整电阻R 的线夹调在适中位置，补偿绕组流过的电流所产生的补偿磁通Φb 等于直轴电枢反应磁通Φz，电动机扩大机的电压不受负载电流的影响。电动机扩大机的外特性曲线趋于平直，曲线稍有下降是电枢绕组内阻压降所致。

欠补偿：移动调整电阻R 的线夹来减小R 的阻值，增大其对补偿绕组的分流作用，使流经补偿绕组的电流减小，产生的补偿磁通Φb 小于直轴电枢反应磁通Φz，控制磁通仍将被电枢反应磁通部分地抵消。同时，随着负载电流的增大，控制磁通被抵消得更多。

过补偿：当移动调整电阻R 的线夹使阻值增大时，则对补偿绕组的分流作用减小，使流过补偿绕组的电流增大，于是Φb＞Φz，控制磁通得到加强。同时，负载电流越大，控制磁通增强得越多，扩大机的电压随着负载电流的增加而逐渐升高。

太多的过补偿工作状态是不允许的，因为这种状态是不稳定的，它将导致扩大机过载。为了防止扩大机过载，取扩大机工作在欠补偿状态下，因为欠补偿可以自动限制最大负载电流。