研究雷達(dá)天線電源故障檢測電路的設(shè)計

引言

　　隨著相控陣天線在雷達(dá)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(guī)模往往和收發(fā)(T/R)組件的多少成正比，當(dāng)T/R組件多達(dá)上百個時，電源系統(tǒng)相對龐大，電源故障檢測也較復(fù)雜，電源故障將直接導(dǎo)致T/R組件工作異常，因此設(shè)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(jìn)行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)故障，將故障定位到LRU，指導(dǎo)維修人員進(jìn)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(diào)理電路對輸入的35路電源檢測信號進(jìn)行濾波、分壓及阻抗匹配，然后經(jīng)過多路復(fù)用器(MUX)選擇進(jìn)入模數(shù)變換器(A/D)，變換成數(shù)字量，單片機(jī)讀入該數(shù)字量，與規(guī)定的上下限進(jìn)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(jìn)行進(jìn)一步處理。

　　圖1 硬件組成框圖

　　電路設(shè)計

　　信號調(diào)理電路

　　信號調(diào)理電路主要對輸入的電源檢測信號進(jìn)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(shè)計的關(guān)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(jìn)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(diào)理電路。

        
                     圖2 12V檢測電壓的調(diào)理電路

　　電容C1對高頻毛刺進(jìn)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(yīng)取千歐級，具體取值應(yīng)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(jīng)過計算和權(quán)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(jīng)過分壓后的正常范圍應(yīng)在1.83～2.48V范圍內(nèi)，否則判為故障。

　　多路復(fù)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(jìn)行選擇，保證在某一時刻只有一路電壓進(jìn)入后級的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。MUX電路共由兩級組成，前級由五塊八選一的多路復(fù)用器組成，35路被測電壓經(jīng)過調(diào)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(fù)用器組成，對前級輸出的五路電壓進(jìn)行進(jìn)一步的選擇。圖中信號MUX1、MUX2對前級芯片進(jìn)行選擇，信號DD0、DD1、DD2對前級的通道進(jìn)行選擇，信號DD5、DD6、DD7對后級通道進(jìn)行選擇，這些信號都是由CPLD產(chǎn)生，具體設(shè)計請參考2.5節(jié)CPLD內(nèi)部邏輯電路的設(shè)計。

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

      
　　　　　　　圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

　　圖4是A/D轉(zhuǎn)換電路，主要功能是對輸入的被測電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果送單片機(jī)。A/D轉(zhuǎn)換器件選用ADI公司的AD670，八位分辨率，10μs轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換完成信號，接單片機(jī)的I/O引腳，當(dāng)ADRDY為低時，表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成，在程序中通過查詢該信號的狀態(tài)判斷A/D是否轉(zhuǎn)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(jī)的地址線P20和P21，ADRW為低時對A/D進(jìn)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(jìn)行讀操作，讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果，該信號在CPLD中產(chǎn)生。

　　單片機(jī)及外圍電路

      
　　　　　　　　　圖5 單片機(jī)及外圍電路

　　圖5是單片機(jī)及外圍電路，單片機(jī)選用ATMEL公司的AT89C55，內(nèi)部帶有20K字節(jié)的程序存儲器，是整個故障檢測電路的控制核心，它通過運(yùn)行程序控制檢測電路進(jìn)行電壓檢測，將檢測的結(jié)果進(jìn)行初步處理，產(chǎn)生單元級故障表，送上級進(jìn)行綜合處理。集成電路D2(MAX813)是看門狗，主要功能是監(jiān)視單片機(jī)程序的運(yùn)行狀態(tài)，如果程序跑飛超過1.6秒，看門狗就產(chǎn)生一個復(fù)位信號，對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，使程序重新進(jìn)入正常步驟。集成電路D3(MAX485)是RS-485串行通信接口，它實現(xiàn)TTL電平與RS-485電平的相互轉(zhuǎn)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(dāng)檢測到電源故障時，點(diǎn)亮指示燈。

CPLD邏輯電路

　　圖6是CPLD內(nèi)部邏輯電路，CPLD選用的是LATTICE公司的ispLSI1016E，邏輯設(shè)計采用原理圖輸入法，主要功能是對MUX的通道進(jìn)行選擇、對A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制及產(chǎn)生自檢代碼等。圖中有三個主要器件：數(shù)據(jù)雙向開關(guān)、數(shù)據(jù)鎖存器、譯碼器。數(shù)據(jù)雙向開關(guān)的OE為低時，數(shù)據(jù)A0～A7傳向單片機(jī)的數(shù)據(jù)線D0～D7,該數(shù)據(jù)正常時是自檢代碼AAH，當(dāng)OE為高時，單片機(jī)數(shù)據(jù)傳向CPLD內(nèi)部的鎖存器，用來對多路模擬開關(guān)進(jìn)行選擇。端口地址譯碼使用了單片機(jī)的RD、WR、P22、P23引腳，還使用了單片機(jī)的P20及P21引腳，它們分別連接到A/D轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)鎖存器地址：0x0b00

　　A/D轉(zhuǎn)換器寫地址：0x0c00

　　A/D轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)前級的五個MUX的輸出信號。這些信號的產(chǎn)生過程是：單片機(jī)通過數(shù)據(jù)線D0～D7將通道選擇數(shù)據(jù)及芯片選擇數(shù)據(jù)送到鎖存器，產(chǎn)生通道選擇信號DD0～DD2及DD5～DD7，再將部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行譯碼產(chǎn)生MUX的片選信號MUX1～MUX5。

　　　　　　　　　圖6 CPLD邏輯電路

　　結(jié)語

　　目前該天線電源故障檢測電路已經(jīng)應(yīng)用到某雷達(dá)中，隨雷達(dá)系統(tǒng)通過設(shè)計定型，進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，實踐證明，該檢測電路工作穩(wěn)定可靠，能準(zhǔn)確實時的對天線電源系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，故障檢測率≥98%，故障隔離率≥95%，虛警率≤3%，達(dá)到設(shè)計要求。