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CPLD在發(fā)射機控制保護系統中的應用
摘要：可編程控制器（PLD）自20世紀60年代末出現以來，就以其靈活、高效、可靠性高等優(yōu)點受到設計者的青睞。而CPLD是20世紀90年代推出的一種復雜的PLD，其主要特征是集成規(guī)模大于1000門以上的可編程邏輯器件。它以其更大的容量，更快的速度，更強的仿真能力，增強了電路設計的靈活性。不但降低了開發(fā)成本，而且減小了設計風險。因此，在工業(yè)領域得到廣泛的應用。根據發(fā)射機的工作特點，介紹了用CPLD完成對發(fā)射機的控制和保護功能。關鍵詞：可編程控制器；復雜的可編程控制器；發(fā)射機；控制保護系統
引言
雷達發(fā)射機的控制保護電路中的邏輯控制，大多采用＋15V的CMOS邏輯，各種故障的比較采用的是模擬比較。這不僅使元器件分散，不易集成（因為沒有＋15V電壓的可編程器件），不能編程，修改困難。最主要的問題是采樣電壓都是模擬電壓，不能與單片機和計算機連，不易做液晶顯示。而現在進口的發(fā)射機基本上都帶液晶顯示，界面良好，想看某個電壓就可以顯示某個電壓，并且已經把這一部分電路模塊化了。同時，一些大型的數控機床及環(huán)境實驗箱現在也都是用數字信號控制和顯示的，所以，模擬信號數字化是發(fā)射機控制保護電路的發(fā)展方向。
現在采用先進的CPLD技術，將控制開關機順序的組合邏輯用一片CPLD來實現；而故障比較部分用A/D變換器把采樣的模擬信號變成數字信號，再用另一片CPLD進行數字比較，使各路的故障比較由原來的并行工作，改成串行工作。這兩部分完成了控制保護系統的控制和保護兩大功能，而且大大減少了元器件數量。
本文就如何用CPLD實現預熱延時、風冷延時，加電的順序控制，各種故障的指示，消除按鍵的抖動等功能；如何用CPLD實現串行采樣、數字比較；如何實現各種取樣的模擬電壓與數字信號的銜接；如何解決電平變成＋5V后，可能會帶來控制保護系統的誤報故障；以及如何在控制保護電路地跟發(fā)射機地連在一起時，濾掉紋波保證A/D的精度等方面，進行了簡述。
本系統的技術特點如下：
——使用了先進的CPLD技術，使編程和修改更加容易，可移植性增強；
——元器件數量減少，控制簡單方便，提高了系統的可靠性；
——有各種故障指示，當出現故障時可以準確定位。
1 對發(fā)射機控制保護系統的要求
發(fā)射機由于其行波管非常昂貴，而且行波管的陰極電壓和收集極電壓都是高壓，輸出功率很大，所以，發(fā)射機的控制保護系統尤為重要。要求在出現任何一種故障時，控制保護系統都能發(fā)現故障，并且切斷供給行波管的高壓�？刂票Ｗo系統分為控制和保護二部分，各部分具體要求如下。
1.1 控制部分
1.1.1 開關機順序
開機時燈絲要有足夠的預熱時間，一般預熱時間需要3～5min。只有在燈絲電壓達到一定的幅度，預熱達到要求時間，以及沒有任何故障的情況下，才允許加高壓。待高壓加到一定的幅度才允許加觸發(fā)脈沖。關機時，應先切斷高壓，后切斷低壓，而且低壓切斷后，要求風冷延時斷電，使行波管的風機繼續(xù)工作1～2min，再切斷電源。所以，控制保護電路中要具有預熱延時和風冷延時功能。
1.1.2 故障處理
在高壓加上后，如果出現任何故障，應該立即切斷高壓，以免造成行波管或高壓電源損壞。
1.1.3 顯示
發(fā)射機在正常工作時應有顯示，在故障發(fā)生時也應該有顯示。
在正常工作時，加上低壓，“預熱”燈亮。預熱時間達到后，如果沒有任何故障，“待機”燈亮，這時按下“高壓通”鍵，“高壓通”燈亮。
發(fā)生故障時，無論是何種故障，該故障對應的顯示燈都應亮。共有11種故障燈，分別是陰極過壓、收集極過壓、燈絲欠壓、螺旋線過流、總供電過流、重頻故障、反射功率故障、行波管過熱、二組合過熱、光纖故障、門開關故障。
1.2 保護部分
發(fā)射機具有過壓保護、過流保護、溫度保護、占空比保護、駐波保護、門開關保護等功能。
1.2.1 過壓保護
對于行波管來說，它的陰極和收集極電壓都很高，現在大多采用開關電源，電壓很快就升到行波管要求的陰極和收集極電壓。如果反饋環(huán)路一旦失控，將使行波管因為過壓而燒毀。所以，必須檢測行波管陰極和收集極電壓，一旦出現過壓立刻將高壓切斷。主要是切斷開關電源的脈寬調制器的輸出脈沖，使主功率器件沒有驅動脈沖，達到保護的目的。
1.2.2 過流保護
包括螺旋線過流保護和總供電的過流保護。前者主要是保護行波管，防止行波管的螺旋線因電流過大而燒毀。后者是保護高壓電源和行波管，防止高壓電源短路或電流過大造成對行波管和高壓電源的損害。
1.2.3 溫度保護
發(fā)射機由于輸出功率大，使得其本身的功耗較大，另外，一些功率器件也比較熱，雖然有風冷系統，但為了安全而在關鍵件上另加溫度保護電路，一旦超過所設定的溫度門限，立即切斷高壓，使該器件不致因溫度過高而損壞。
1.2.4 占空比保護
脈沖行波管的占空比是行波管的主要指標，如果超過允許的最大占空比會損害行波管，所以，對輸入脈沖的占空比要有限制，一旦超過，立即切斷高壓，使行波管不工作。
1.2.5 駐波保護
行波管是發(fā)射功率器件，如果反射的功率過大會損壞行波管，所以設置駐波保護。
1.2.6 門開關保護
由于發(fā)射機內有高壓，為保護人身安全，不允許在發(fā)射機開蓋的狀態(tài)下加高壓。
2 控制保護系統功能的實現
2.1 組合控制邏輯
由一片CPLD（圖1中為CPLD1）完成如下功能：——風冷延時和預熱延時；
——接受鍵盤上的“低壓通/斷”、“高壓通”、“高壓斷”、“復位”、“天線/負載轉換”等指令，產生相應的邏輯；
——控制加高壓的順序，必須先通低壓，加燈絲電壓、待燈絲“預熱”狀態(tài)結束，并無任何故障時，才允許加高壓；高壓升到一定的幅度才允許加觸發(fā)脈沖；當出現任何故障的時候，都必須首先切斷高壓；完成正常狀態(tài)與故障狀態(tài)的顯示和編碼，即把各種狀態(tài)指示出來，如按“低壓通”鍵時，“低壓通”燈應亮；預熱狀態(tài)時“預熱”燈亮；風冷狀態(tài)下“風冷”燈應亮；預熱狀態(tài)結束時，“高壓斷”燈應亮；按“高壓通”鍵時，“高壓通”燈應亮；當發(fā)生任何故障時，均應切斷高壓，“保護”燈應亮，同時對應該故障的燈應亮；當故障排除后，按“復位”鍵，系統應能回到高壓斷狀態(tài)；另外，還要把多種故障編成碼，送中心機顯示。
2.2 時序控制邏輯
由另一片CPLD（圖1中為CPLD2）實現，這一片CPLD的功能是分時地采樣5路模擬信號，將其轉換成數字信號，送入相應的鎖存器里，然后與各自的數字基準比較，超過基準的判為“高”，并將比較的結果送入上一片CPLD作為故障指示。按照上述要求，這一片CPLD應完成如下功能：
——給多路A/D產生地址選擇信號，并在每一路地址有效期間完成；另外，產生數據采樣信號給A/D變換器，使A/D開始轉換，轉換完后，在70ns內將轉換的數據送入相應的鎖存器；
——進行多路數字比較，產生故障信號，并將故障信號送入控制組合邏輯的CPLD，切斷高壓。
3 控制保護系統方框圖
控制保護系統的方框圖如圖1所示。CPLD1主要完成對發(fā)射機的開關順序控制。CPLD2主要給A/D變換產生時序，以及完成數字比較，產生各種門限保護。差分運放主要是用來去除來自發(fā)射機內的取樣信號的共模干擾。光接受器/鎖相環(huán)主要是采樣懸浮于地的收集極電壓。陰極脈寬調制器主要產生驅動陰極高壓電源的脈寬調制信號。收集極脈寬調制器主要產生驅動收集極高壓電源的脈寬調制信號。
4 實現控制保護系統功能時出現問題的分析和解決辦法
4.1 電平反串
由于發(fā)射機在起始通電狀態(tài)下只有熱電源在工作，其余部分都不上電，當按下“低壓通”鍵時，發(fā)射機其余部分才上電。所以，發(fā)射機的控制保護電路必須要把“低壓通”鍵和其余鍵的邏輯分開，即“低壓通”鍵的邏輯不能與其余鍵的邏輯一起置于CPLD中，而必須拿出來單獨處理。它的作用就是只對控制“低壓通”鍵的芯片上電。這就產生了由于上電分先后而帶來的電平反串問題，即在只有加熱電源時，就有1.8V左右的電平串入單獨給CPLD供電的＋5V電源中，而這時給CPLD供電的＋5V電源并未加，由于CPLD是3.3V/5V都可工作的，所以CPLD這時已經開始工作，產生許多錯誤邏輯，使許多故障燈都亮了，這是不允許的。測試發(fā)現這個反串電平是由于54HC245這個芯片帶來的，而且后來發(fā)現，驅動能力越強的芯片，反串電平就越嚴重。
解決的辦法是將送顯示的驅動芯片換掉，都改成光電耦合器，這樣就解決了反串電平的問題，而且有利于將控制保護電路板子上的地和外界隔開，對A/D變換也有好處。
4.2 按鍵抖動
雖然加了一些消除按鍵抖動電路，但是效果都不太理想，尤其是“高壓通”和“高壓斷”兩個按鍵，由于是上升沿觸發(fā)，而且狀態(tài)互鎖，致使有時按下“高壓通”鍵，一松手狀態(tài)就保持不住，又回到“高壓斷”狀態(tài)；有時按下“高壓斷”鍵又回不到“高壓斷”狀態(tài)。用示波器觀察波形，發(fā)現在按鍵按下和松開時有抖動。為此對“高壓通”和“高壓斷”鍵入的信號，利用時鐘信號觸發(fā)D觸發(fā)器，再通過D觸發(fā)器送入CPLD，效果非常明顯，消除了按鍵抖動。
圖1
4.3 A/D變換的精度
這個問題是整個電路中最關鍵的問題。
500mV的紋波，對邏輯電平不會產生太大的影響，既不會造成錯誤電平，也不會誤報故障，但是對A/D來說，卻太大了。
以最大電壓5V，8位的A/D來說，最小量
化單位δ=(1/2 8-1)×5≈20mV，500mV的紋波，對于十進制=25，對于十六進制是19H，對于二進制是11001B，相當于5位都在跳。對于12位的A/D說，最小量化單位δ=(1/2 12-1)×5=5/4094=1.2mV，500mV的紋波，對于十進制500/1.2≈417，對于十六進制是1A1H，對于二進制是110100001B，相當于9位在跳，這樣大的紋波，大大影響了A/D的精度。就拿陰極電壓來說，12kV的陰極電壓，過壓門限按5％計算，是12.6kV，那么這600V電壓轉換成5V電平相當于600/12000×5=250mV，電平的變化淹沒在噪聲中，根本就體現不出來。不能完成過欠壓的精細比較。要想完成精細比較，紋波就得降下來。當紋波小于100mV時，對于8位A/D變化只有3位在變，電平的變化沒有淹沒在噪聲中，是可以使用的，當然紋波處理得越小越好。即使實在降不到太小，還可以通過數字信號處理的方法，用各種數字濾波器，對變換出來的數字信號濾掉干擾。
具體解決的辦法如下：
——將采樣各路信號的模擬電壓通過線性光耦與發(fā)射機的地隔離，使發(fā)射機的地線噪聲不會進控制保護板；
——所有輸入的信號都加光耦，使發(fā)射機的地與整個控制保護電路的模擬地、數字地隔開；
——整個控保電路的模擬地、數字地懸浮起來，外加屏蔽罩。
采用以上方法后，A/D精度有了明顯的改善，能使紋波達到100mV。
5 結語
該控制保護電路板已經在發(fā)射機上完成聯調，其控制和保護的功能，以及閉環(huán)加高壓的功能全都實現，精度滿足要求。當需要更高采樣精度時，則可以用一些數字信號處理的方法來進一步對A/D轉換過來的數字量進行處理，使精度進一步提高。
新技術的發(fā)展使發(fā)射機控制保護電路的技術不斷進步，CPLD在實現控制保護電路功能方面有其獨到的優(yōu)勢，在國外這種模塊化的控制保護電路已經很普遍，跟上國際先進技術應是我們努力的方向。
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