石 浩，敬 敏

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

機載雷達自誕生之日起，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。在這種思想的指導下，雷達發(fā)射機的控制電路愈加強大，涉獵更加廣闊:它不再是給發(fā)射機電源發(fā)出“開”或者“關(guān)”這兩條簡單指令的一個部件，而是一個提供各種發(fā)射機運行參數(shù)檢測、判斷和保護的大腦中樞。甚至于發(fā)射機中所有需要的脈沖激勵信號，均可由控制電路給出，使開關(guān)電源不再依賴環(huán)境性能參差不齊的定時電路模塊。通過復雜可編程邏輯器件(CPLD)編程產(chǎn)生的激勵波形充分利用了其可精密控制的特點，在發(fā)射機調(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)進行介紹和討論。

1 CPLD激勵波形編輯簡介

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］。用戶通過軟件開發(fā)平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標文件，通過下載電纜將代碼傳送到目標芯片中，實現(xiàn)數(shù)字電路的功能。由于篇幅所限，本文僅簡述波形產(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、周期的脈沖是開關(guān)電源激勵波形最基本的一種形式。在發(fā)射機中，它一般用來激勵生成固定電壓的柵極截止或者導通電壓。CPLD產(chǎn)生的原理是:通過一個時鐘四分頻后觸發(fā)一個計數(shù)器，再利用三個比較器來確定脈沖的上升時刻、下降時刻和周期，由此來確定波形。其編程如圖1所示。

圖1 基本脈沖的產(chǎn)生編程原理

1.2 分時輸出不同波形的脈沖編程

開關(guān)電源的激勵在很多時候會應(yīng)用在不同時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)定時間點，從而設(shè)計不同時間段輸出不同方波。如圖2所示，CPLD編程設(shè)定好時間A和時間B，通過比較器觸發(fā)圖中的D觸發(fā)器以及互鎖電路，實現(xiàn)了在三個時間段選擇不同波形的目標。

圖2 分時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)射機各功能電路中的應(yīng)用。

2 燈絲調(diào)制電路激勵波形產(chǎn)生機制的改進

以往的燈絲調(diào)制電源激勵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法進行在線編程，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例，其工作溫度范圍從-55℃～125℃，抗振等性能均較好。當然，CPLD芯片并非為上述激勵波形專門設(shè)置，那樣也就失去了其簡化電路的意義，我們只是應(yīng)用其強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)制電源激勵波形產(chǎn)生機制上做出了改進，實現(xiàn)的功能有:(1)產(chǎn)生可編程的燈絲電源激勵脈沖波形，滿足不同燈絲電源激勵波形需求;(2)產(chǎn)生可編程的調(diào)制電源的脈沖激勵波形，滿足不同燈絲電源激勵波形需求;(3)為燈絲調(diào)制電源提供可編程形式的軟啟動過程，對不同需求的燈絲電源軟啟動時間、占空比等過程進行編程，輸出激勵波形。該技術(shù)應(yīng)用CPLD產(chǎn)生脈沖激勵信號，作為燈絲調(diào)制電源的脈沖激勵輸入，通過應(yīng)用開關(guān)電路輸出至隔離變壓器，至高電位端進行整流和穩(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 激勵控制技術(shù)對軟啟動的控制

對于行波管發(fā)射機來說，在燈絲預(yù)熱的過程中，阻值會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，在啟動過程中會產(chǎn)生較大的浪涌電流，這會嚴重影響燈絲的壽命甚至損壞燈絲。因此在燈絲電源的設(shè)計上，必須采用軟啟動設(shè)計，也就是燈絲電壓在預(yù)熱過程中是從較低的值緩慢上升到額定工作值的。

以前設(shè)計的軟啟動電路很多參數(shù)都是由硬件決定的，如驅(qū)動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)動的電路。雖然1525控制芯片具有驅(qū)動電流較大的優(yōu)勢［4］，但是，外圍電路的固定化設(shè)計導致通用性存在局限，無法利用同樣的硬件電路適應(yīng)不同的軟啟動時間要求。

圖5 硬件芯片驅(qū)動的燈絲電路

采用CPLD技術(shù)可以簡化上述驅(qū)動電路，因為驅(qū)動波形可以直接通過CPLD編程產(chǎn)生。另一個優(yōu)勢是，燈絲軟啟動可以通過對驅(qū)動波形工作比的控制，完全精確編程燈絲的預(yù)熱時間。

如圖6所示，我們通過編程對燈絲軟啟動進行了四個階段的控制:

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 可編程的燈絲激勵波形

該設(shè)計使得燈絲電壓在一分鐘后形成到位。通過CPLD程序來設(shè)計驅(qū)動波形的占空比，由此來控制燈絲電壓的建立過程。因占空比的差異，可以得出通過全波整流后四個階段的燈絲電壓分別如表1所示。

表1 燈絲電壓建立過程

由此控制燈絲電壓緩慢上升，我們達到了使燈絲電壓精確軟啟動的目標。

4 在發(fā)射機輸出信號頻譜控制中的應(yīng)用

在發(fā)射機各種指標中，輸出頻譜純度最常見的干擾因素來自電源的開關(guān)頻率。因為調(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，而其開關(guān)頻率通常是對柵極相位靈敏度產(chǎn)生最大影響的因素。

如何通過壓制開關(guān)頻率干擾的幅值來提高頻譜純度?在電源設(shè)計中常用到一種零電壓導通技術(shù)［4］，簡單來說，是通過對驅(qū)動波形頻率和死區(qū)的控制，使得開關(guān)管在零電壓時導通，壓制開關(guān)管電壓峰值，達到減小開關(guān)干擾的目的。以往通過與燈絲電源類似的控制芯片來設(shè)計驅(qū)動波形的頻率和死區(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)動的正偏開關(guān)管DS波形，可以看出，零電壓導通后，波形沒有高頻振蕩尖峰。并且，由于開關(guān)管電壓應(yīng)力的減小，使得開關(guān)損耗降低，大大降低了開關(guān)管的散熱設(shè)計壓力。

圖7 正偏電源開關(guān)管DS波形

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

圖8 調(diào)制電源開關(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)射機中，調(diào)制器是很重要的器件。它相當于發(fā)射機的最后一道控制開關(guān)，用來快速切換行波管工作或停止的兩個狀態(tài)［5］。近年來，由于對調(diào)制器小型化要求日益嚴格，控制極的載頻調(diào)制技術(shù)也逐漸得到了推廣，因為載頻調(diào)制技術(shù)通過提高驅(qū)動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，對這項技術(shù)而言無疑是如虎添翼。因為以往采用的模塊載頻產(chǎn)生電路(如555電路等)產(chǎn)生的驅(qū)動波形，依賴于時鐘電路固有的電路特性，如觸發(fā)門電路、外圍電路、固有頻率等［6］。圖9為CPLD產(chǎn)生載波信號驅(qū)動的調(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，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)動開關(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 開啟和關(guān)斷信號與調(diào)制管理極波形

CPLD產(chǎn)生載頻調(diào)制后的激勵波形，再通過圖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)電容對載頻進行解調(diào)，形成圖11所示的柵極控制波形。

6 結(jié)束語

本文介紹的基于CPLD的集成控制技術(shù)在某型機載雷達發(fā)射機的開關(guān)電源中應(yīng)用良好。它對發(fā)射機性能的提升和電路的簡化作用明顯，并且經(jīng)環(huán)境試驗、試飛驗證穩(wěn)定可靠。筆者認為這一類型集成控制技術(shù)具有相當高的研究價值和廣泛的應(yīng)用前景。

［1］ 宋萬杰.CPLD技術(shù)及其應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學出版社，1999.Song Wanjie.CPLD technology and application［M］.Xi＇an:Publishing House of Xidian University，1999.

［2］ 孫 敏.一種機載行波管發(fā)射機燈絲調(diào)制電源的設(shè)計［J］.現(xiàn)代雷達，2012，34(7):605-606.Sun Min.Design of filament＆modulator supply for airborne traveling wave tube transmitter［J］.Modern Radar，2012，34(7):605-606.

［3］ 張 彥.一種新型行波管燈絲電源的設(shè)計［J］.艦船電子對抗，2011，34(4):118-120.Zhang Yan.Design of a new-style filament power supply of TWT［J］.Shipboard Electronic Countermeasure，2011，34(4):118-120.

［4］ 黃書強，王海欣，張 君，等.數(shù)字化軟開關(guān)高頻開關(guān)電源模塊設(shè)計［J］.電氣自動化，2012，34(2):37-39.Huang Shuqiang，Wang Haixin，Zhang Jun，et al.Design of high frequency switch power supply module with digital softswitch［J］.Electrical Automation，2012，34(2):37-39.

［5］ 魏 智.發(fā)射機高壓脈沖調(diào)制器的設(shè)計與實踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.Wei Zhi.High voltage pulse modulator design and practice［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2009.

［6］ 楊 軍.載頻解調(diào)式脈沖調(diào)制器的研制［J］.現(xiàn)代雷達，2010，32(1):77-80，84.Yang Jun.Development of a novel carrier frequency demodulating grid pulsed modulator［J］.Modern Radar，2010，32(1):77-80，84.