CPLD在發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。不但降低了開發成本，而且減小了設計風險。因此，在工業領域得到廣泛的應用。根據發射機的工作特點，介紹了用CPLD完成對發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；發射機；控制保護系統

0??? 引言

??? 雷達發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射機控制保護電路的發展方向。

??? 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??? 對發射機控制保護系統的要求

??? 發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現故障，并且切斷供給行波管的高壓。控制保護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

??? 發射機在正常工作時應有顯示，在故障發生時也應該有顯示。

??? 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

??? 由于發射機內有高壓，為保護人身安全，不允許在發射機開蓋的狀態下加高壓。

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；完成正常狀態與故障狀態的顯示和編碼，即把各種狀態指示出來，如按“低壓通”鍵時，“低壓通”燈應亮；預熱狀態時“預熱”燈亮；風冷狀態下“風冷”燈應亮；預熱狀態結束時，“高壓斷”燈應亮；按“高壓通”鍵時，“高壓通”燈應亮；當發生任何故障時，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；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射機內的取樣信號的共模干擾。光接受器/鎖相環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。

圖1??? 小型化發射機數字控制保護電路方框圖

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

??? 由于發射機在起始通電狀態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，發射機其余部分才上電。所以，發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。測試發現這個反串電平是由于54HC245這個芯片帶來的，而且后來發現，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，而且狀態互鎖，致使有時按下“高壓通”鍵，一松手狀態就保持不住，又回到“高壓斷”狀態；有時按下“高壓斷”鍵又回不到“高壓斷”狀態。用示波器觀察波形，發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D觸發器，再通過D觸發器送入CPLD，效果非常明顯，消除了按鍵抖動。

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=×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=×5==1.2mV，500mV的紋波，對于十進制≈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射機的地隔離，使發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射機上完成聯調，其控制和保護的功能，以及閉環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。

??? 新技術的發展使發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。