雷達天線電源故障檢測電路的設計

引言
　　
　　隨著相控陣天線在雷達中的廣泛使用，天線電源的故障檢測變得越來越重要，相控陣天線的電源規模往往和收發(T/R)組件的多少成正比，當T/R組件多達上百個時，電源系統相對龐大，電源故障檢測也較復雜，電源故障將直接導致T/R組件工作異常，因此設計一個完善的電源故障檢測電路非常重要，它能實時對電源進行監測，及時發現故障，將故障定位到LRU，指導維修人員進行換件維修。
　　
　　電源故障檢測電路由硬件和軟件兩大部分組成，硬件組成框圖如圖1所示。信號調理電路對輸入的35路電源檢測信號進行濾波、分壓及阻抗匹配，然后經過多路復用器(MUX)選擇進入模數變換器(A/D)，變換成數字量，單片機讀入該數字量，與規定的上下限進行比較，判斷該電壓是否正確，最后生成單元級故障表，通過RS-485接口傳送到上級進行進一步處理。

圖1 硬件組成框圖

電路設計
　　
　　信號調理電路
　　
　　信號調理電路主要對輸入的電源檢測信號進行濾波、分壓及阻抗匹配等處理。濾波的目的是濾除檢測信號中的高頻毛刺，通過試驗可以看到，天線電源信號中常有幅度很大的干擾毛刺，如果不濾除可能會對器件造成損壞，或者影響檢測精度。分壓的目的是對檢測信號的幅度變換，使其滿足后級A/D變換器的輸入要求，設計的關鍵是既保證信號的幅度不超出A/D的輸入要求，又要盡量提高信號的分辨率。阻抗匹配電路是一個射極跟隨器，目的是進行前后的阻抗匹配，提高檢測的精度。圖2是12V檢測電壓的調理電路。

圖2 12V檢測電壓的調理電路

電容C1對高頻毛刺進行濾除，一般取0.01μF，精密電阻R1和R2組成分壓電路，為了減小對電源的影響，阻值應取千歐級，具體取值應參考12V的正常判定范圍(10.3～14V)及A/D的滿量程范圍(0～2.55V)，經過計算和權衡后，R1取46.4KΩ，R2取10KΩ，可以算出12V電壓的欠壓及過壓門限值分別為：
　　
　　欠壓門限值：1.83V
　　
　　過壓門限值：2.48V
　　
　　即輸入12V電壓經過分壓后的正常范圍應在1.83～2.48V范圍內，否則判為故障。
　　
　　多路復用電路

圖3 MUX電路

MUX電路如圖3所示，主要功能是對35路被測電壓進行選擇，保證在某一時刻只有一路電壓進入后級的模數轉換電路進行數據轉換。MUX電路共由兩級組成，前級由五塊八選一的多路復用器組成，35路被測電壓經過調理后連接到這些MUX，圖中只畫出了兩塊的接線圖，其余三塊基本相同，后級由一塊多路復用器組成，對前級輸出的五路電壓進行進一步的選擇。圖中信號MUX1、MUX2對前級芯片進行選擇，信號DD0、DD1、DD2對前級的通道進行選擇，信號DD5、DD6、DD7對后級通道進行選擇，這些信號都是由CPLD產生，具體設計請參考2.5節CPLD內部邏輯電路的設計。
　　
　　模數轉換電路

圖4 模數轉換電路

圖4是A/D轉換電路，主要功能是對輸入的被測電壓進行數據轉換，轉換的結果送單片機。A/D轉換器件選用ADI公司的AD670，八位分辨率，10μs轉換速度，可程控單極性或者雙極性輸入，單極性滿量程輸入范圍為0～2.55V，雙極性為-1.28～+1.27V，圖中信號ADRDY為A/D轉換完成信號，接單片機的I/O引腳，當ADRDY為低時，表示數據轉換完成，在程序中通過查詢該信號的狀態判斷A/D是否轉換完成。信號ADCE、ADCS、ADRW分別是A/D的芯片使能、片選及讀寫控制信號，ADCE和ADCS低有效，分別接單片機的地址線P20和P21，ADRW為低時對A/D進行寫操作，即寫入控制命令，如單極性或者雙極性操作等，ADRW為高時對A/D進行讀操作，讀出轉換結果，該信號在CPLD中產生。
　　
　　單片機及外圍電路

圖5 單片機及外圍電路

圖5是單片機及外圍電路，單片機選用ATMEL公司的AT89C55，內部帶有20K字節的程序存儲器，是整個故障檢測電路的控制核心，它通過運行程序控制檢測電路進行電壓檢測，將檢測的結果進行初步處理，產生單元級故障表，送上級進行綜合處理。集成電路D2(MAX813)是看門狗，主要功能是監視單片機程序的運行狀態，如果程序跑飛超過1.6秒，看門狗就產生一個復位信號，對單片機進行復位，使程序重新進入正常步驟。集成電路D3(MAX485)是RS-485串行通信接口，它實現TTL電平與RS-485電平的相互轉換，是檢測電路與上級單元的通信接口。二極管V2是故障指示燈，當檢測到電源故障時，點亮指示燈。
　　
CPLD邏輯電路
　　
　　圖6是CPLD內部邏輯電路，CPLD選用的是LATTICE公司的ispLSI1016E，邏輯設計采用原理圖輸入法，主要功能是對MUX的通道進行選擇、對A/D轉換器進行控制及產生自檢代碼等。圖中有三個主要器件：數據雙向開關、數據鎖存器、譯碼器。數據雙向開關的OE為低時，數據A0～A7傳向單片機的數據線D0～D7,該數據正常時是自檢代碼AAH，當OE為高時，單片機數據傳向CPLD內部的鎖存器，用來對多路模擬開關進行選擇。端口地址譯碼使用了單片機的RD、WR、P22、P23引腳，還使用了單片機的P20及P21引腳，它們分別連接到A/D轉換器CS和CE端，具體地址定義如下：
　　
CPLD自檢測地址：0x0700
通道選擇數據鎖存器地址：0x0b00
A/D轉換器寫地址：0x0c00
A/D轉換器讀地址：0x0e00
　　
　　信號MUX1～MUX5是MUX電路的前級芯片選擇信號，高電平有效;DD0～DD2是MUX電路前級的通道選擇信號，取值范圍是0～34，對應模擬通道的1～35;DD5～DD7是MUX電路的后級通道選擇信號，取值范圍為0～4，分別對應前級的五個MUX的輸出信號。這些信號的產生過程是：單片機通過數據線D0～D7將通道選擇數據及芯片選擇數據送到鎖存器，產生通道選擇信號DD0～DD2及DD5～DD7，再將部分數據進行譯碼產生MUX的片選信號MUX1～MUX5。

圖6 CPLD邏輯電路

結語
　　
　　目前該天線電源故障檢測電路已經應用到某雷達中，隨雷達系統通過設計定型，進入批量生產階段，實踐證明，該檢測電路工作穩定可靠，能準確實時的對天線電源系統進行監測，故障檢測率≥98%，故障隔離率≥95%，虛警率≤3%，達到設計要求。