基于CPLD的激勵(lì)信號(hào)集成控制技術(shù)及應(yīng)用

石 浩，敬 敏

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

機(jī)載雷達(dá)自誕生之日起，日趨向小型化、集成化方向發(fā)展，并在此基礎(chǔ)上追求更高的可靠性和快速維修性。在這種思想的指導(dǎo)下，雷達(dá)發(fā)射機(jī)的控制電路愈加強(qiáng)大，涉獵更加廣闊:它不再是給發(fā)射機(jī)電源發(fā)出“開(kāi)”或者“關(guān)”這兩條簡(jiǎn)單指令的一個(gè)部件，而是一個(gè)提供各種發(fā)射機(jī)運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)、判斷和保護(hù)的大腦中樞。甚至于發(fā)射機(jī)中所有需要的脈沖激勵(lì)信號(hào)，均可由控制電路給出，使開(kāi)關(guān)電源不再依賴環(huán)境性能參差不齊的定時(shí)電路模塊。通過(guò)復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)編程產(chǎn)生的激勵(lì)波形充分利用了其可精密控制的特點(diǎn)，在發(fā)射機(jī)調(diào)制電源的紋波抑制等各方面都發(fā)揮了明顯作用。本文將就此技術(shù)進(jìn)行介紹和討論。

1 CPLD激勵(lì)波形編輯簡(jiǎn)介

CPLD可以根據(jù)用戶各自需要構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路［1］。用戶通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)下載電纜將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路的功能。由于篇幅所限，本文僅簡(jiǎn)述波形產(chǎn)生的軟件編程方法。

1.1 基本方波的編程產(chǎn)生

固定脈寬、周期的脈沖是開(kāi)關(guān)電源激勵(lì)波形最基本的一種形式。在發(fā)射機(jī)中，它一般用來(lái)激勵(lì)生成固定電壓的柵極截止或者導(dǎo)通電壓。CPLD產(chǎn)生的原理是:通過(guò)一個(gè)時(shí)鐘四分頻后觸發(fā)一個(gè)計(jì)數(shù)器，再利用三個(gè)比較器來(lái)確定脈沖的上升時(shí)刻、下降時(shí)刻和周期，由此來(lái)確定波形。其編程如圖1所示。

圖1 基本脈沖的產(chǎn)生編程原理

1.2 分時(shí)輸出不同波形的脈沖編程

開(kāi)關(guān)電源的激勵(lì)在很多時(shí)候會(huì)應(yīng)用在不同時(shí)間段使用不同的脈沖，在上述固定周期占空比的基礎(chǔ)上，CPLD還可以應(yīng)用編程設(shè)定時(shí)間點(diǎn)，從而設(shè)計(jì)不同時(shí)間段輸出不同方波。如圖2所示，CPLD編程設(shè)定好時(shí)間A和時(shí)間B，通過(guò)比較器觸發(fā)圖中的D觸發(fā)器以及互鎖電路，實(shí)現(xiàn)了在三個(gè)時(shí)間段選擇不同波形的目標(biāo)。

圖2 分時(shí)輸出不同波形方波的編程原理

除上述例子，還有很多方法設(shè)計(jì)所需要的波形。本文將在下文中著重介紹這種CPLD集成控制技術(shù)在某型行波管發(fā)射機(jī)各功能電路中的應(yīng)用。

2 燈絲調(diào)制電路激勵(lì)波形產(chǎn)生機(jī)制的改進(jìn)

以往的燈絲調(diào)制電源激勵(lì)波形采用小型集成電路產(chǎn)生固定脈沖［2］，如圖3所示。其占體積大，且小型集成電路及其匹配電路元器件的使用使得可靠性下降。而且這種類型的電路無(wú)法進(jìn)行在線編程，缺乏通用性。

圖3 普通燈絲調(diào)制電源采用的原理

本文應(yīng)用ispLSI1032-60LG可編程邏輯器件作為實(shí)例，其工作溫度范圍從-55℃～125℃，抗振等性能均較好。當(dāng)然，CPLD芯片并非為上述激勵(lì)波形專門(mén)設(shè)置，那樣也就失去了其簡(jiǎn)化電路的意義，我們只是應(yīng)用其強(qiáng)大的處理能力在剩余的I/O口完成了上述功能。

應(yīng)用CPLD波形編程在燈絲調(diào)制電源激勵(lì)波形產(chǎn)生機(jī)制上做出了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)的功能有:(1)產(chǎn)生可編程的燈絲電源激勵(lì)脈沖波形，滿足不同燈絲電源激勵(lì)波形需求;(2)產(chǎn)生可編程的調(diào)制電源的脈沖激勵(lì)波形，滿足不同燈絲電源激勵(lì)波形需求;(3)為燈絲調(diào)制電源提供可編程形式的軟啟動(dòng)過(guò)程，對(duì)不同需求的燈絲電源軟啟動(dòng)時(shí)間、占空比等過(guò)程進(jìn)行編程，輸出激勵(lì)波形。該技術(shù)應(yīng)用CPLD產(chǎn)生脈沖激勵(lì)信號(hào)，作為燈絲調(diào)制電源的脈沖激勵(lì)輸入，通過(guò)應(yīng)用開(kāi)關(guān)電路輸出至隔離變壓器，至高電位端進(jìn)行整流和穩(wěn)壓處理，產(chǎn)生符合要求的燈絲電壓和調(diào)制正偏和負(fù)偏電壓，為行波管提供燈絲和柵極電壓。其原理如圖4所示。

圖4 應(yīng)用CPLD技術(shù)的燈絲調(diào)制電源

3 激勵(lì)控制技術(shù)對(duì)軟啟動(dòng)的控制

對(duì)于行波管發(fā)射機(jī)來(lái)說(shuō)，在燈絲預(yù)熱的過(guò)程中，阻值會(huì)隨著燈絲溫度的提高發(fā)生變化［3］。如果使用固定的穩(wěn)壓源為燈絲供電，在啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電流，這會(huì)嚴(yán)重影響燈絲的壽命甚至損壞燈絲。因此在燈絲電源的設(shè)計(jì)上，必須采用軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)，也就是燈絲電壓在預(yù)熱過(guò)程中是從較低的值緩慢上升到額定工作值的。

以前設(shè)計(jì)的軟啟動(dòng)電路很多參數(shù)都是由硬件決定的，如驅(qū)動(dòng)電路外圍所配的電阻、電容等，具體電路圖如圖5所示。本例采用1525控制芯片硬件驅(qū)動(dòng)的電路。雖然1525控制芯片具有驅(qū)動(dòng)電流較大的優(yōu)勢(shì)［4］，但是，外圍電路的固定化設(shè)計(jì)導(dǎo)致通用性存在局限，無(wú)法利用同樣的硬件電路適應(yīng)不同的軟啟動(dòng)時(shí)間要求。

圖5 硬件芯片驅(qū)動(dòng)的燈絲電路

采用CPLD技術(shù)可以簡(jiǎn)化上述驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)轵?qū)動(dòng)波形可以直接通過(guò)CPLD編程產(chǎn)生。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，燈絲軟啟動(dòng)可以通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)波形工作比的控制，完全精確編程燈絲的預(yù)熱時(shí)間。

如圖6所示，我們通過(guò)編程對(duì)燈絲軟啟動(dòng)進(jìn)行了四個(gè)階段的控制:

階段1:脈寬為1.798 μs，占空比 9.74%;

階段2:脈寬為3.602 μs，占空比 19.5%;

階段3:脈寬為5.412 μs，占空比 29.3%;

階段4:脈寬為7.221 μs，占空比 39.1%。

圖6 可編程的燈絲激勵(lì)波形

該設(shè)計(jì)使得燈絲電壓在一分鐘后形成到位。通過(guò)CPLD程序來(lái)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)波形的占空比，由此來(lái)控制燈絲電壓的建立過(guò)程。因占空比的差異，可以得出通過(guò)全波整流后四個(gè)階段的燈絲電壓分別如表1所示。

表1 燈絲電壓建立過(guò)程

由此控制燈絲電壓緩慢上升，我們達(dá)到了使燈絲電壓精確軟啟動(dòng)的目標(biāo)。

4 在發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)頻譜控制中的應(yīng)用

在發(fā)射機(jī)各種指標(biāo)中，輸出頻譜純度最常見(jiàn)的干擾因素來(lái)自電源的開(kāi)關(guān)頻率。因?yàn)檎{(diào)制電源為行波管柵極(或者聚焦極)提供正偏壓和截止偏壓，而其開(kāi)關(guān)頻率通常是對(duì)柵極相位靈敏度產(chǎn)生最大影響的因素。

如何通過(guò)壓制開(kāi)關(guān)頻率干擾的幅值來(lái)提高頻譜純度?在電源設(shè)計(jì)中常用到一種零電壓導(dǎo)通技術(shù)［4］，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，是通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)波形頻率和死區(qū)的控制，使得開(kāi)關(guān)管在零電壓時(shí)導(dǎo)通，壓制開(kāi)關(guān)管電壓峰值，達(dá)到減小開(kāi)關(guān)干擾的目的。以往通過(guò)與燈絲電源類似的控制芯片來(lái)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)波形的頻率和死區(qū)，而CPLD技術(shù)顯然可以做得更為精確和出色。圖7為CPLD提供驅(qū)動(dòng)的正偏開(kāi)關(guān)管DS波形，可以看出，零電壓導(dǎo)通后，波形沒(méi)有高頻振蕩尖峰。并且，由于開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力的減小，使得開(kāi)關(guān)損耗降低，大大降低了開(kāi)關(guān)管的散熱設(shè)計(jì)壓力。

圖7 正偏電源開(kāi)關(guān)管DS波形

經(jīng)在某型已投入批產(chǎn)行波管發(fā)射機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明:通過(guò)此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用輸出微波信號(hào)的雜散幅值由平均-66 dBC下降至平均-69.1 dBC，提高了發(fā)射機(jī)頻譜純度性能，如圖8所示。

圖8 調(diào)制電源開(kāi)關(guān)頻率雜散在頻譜中得到壓制

5 在載頻調(diào)制技術(shù)中的應(yīng)用

在柵極控制或者聚焦極控制的行波管發(fā)射機(jī)中，調(diào)制器是很重要的器件。它相當(dāng)于發(fā)射機(jī)的最后一道控制開(kāi)關(guān)，用來(lái)快速切換行波管工作或停止的兩個(gè)狀態(tài)［5］。近年來(lái)，由于對(duì)調(diào)制器小型化要求日益嚴(yán)格，控制極的載頻調(diào)制技術(shù)也逐漸得到了推廣，因?yàn)檩d頻調(diào)制技術(shù)通過(guò)提高驅(qū)動(dòng)波形的頻率可以大幅縮小隔離變壓器的尺寸。

CPLD的波形調(diào)制能力，對(duì)這項(xiàng)技術(shù)而言無(wú)疑是如虎添翼。因?yàn)橐酝捎玫哪K載頻產(chǎn)生電路(如555電路等)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)波形，依賴于時(shí)鐘電路固有的電路特性，如觸發(fā)門(mén)電路、外圍電路、固有頻率等［6］。圖9為CPLD產(chǎn)生載波信號(hào)驅(qū)動(dòng)的調(diào)制器原理圖。

圖9 載頻調(diào)制器電路原理圖

CPLD編程產(chǎn)生波形不僅可以省略載頻產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)，給小型化調(diào)制器騰出空間，而且可以提供更可靠的、可編程調(diào)節(jié)的載頻波形。圖10為CPLD產(chǎn)生的載頻波形。

圖10 CPLD產(chǎn)生的調(diào)制載頻電路

調(diào)制載頻波形驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路和高壓隔離變壓器，作用到高電位上的調(diào)制管上，如圖11所示。

圖11 開(kāi)啟和關(guān)斷信號(hào)與調(diào)制管理極波形

CPLD產(chǎn)生載頻調(diào)制后的激勵(lì)波形，再通過(guò)圖9中所示隔離變壓器，作用在調(diào)制管的柵極上。由于調(diào)制管的結(jié)電容對(duì)載頻進(jìn)行解調(diào)，形成圖11所示的柵極控制波形。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的基于CPLD的集成控制技術(shù)在某型機(jī)載雷達(dá)發(fā)射機(jī)的開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用良好。它對(duì)發(fā)射機(jī)性能的提升和電路的簡(jiǎn)化作用明顯，并且經(jīng)環(huán)境試驗(yàn)、試飛驗(yàn)證穩(wěn)定可靠。筆者認(rèn)為這一類型集成控制技術(shù)具有相當(dāng)高的研究?jī)r(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。

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