雷達(dá)發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

摘要：本文給出了由PC104工控機(jī)與AD7864為核心構(gòu)成的雷達(dá)發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)方案。介紹了數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換的詳細(xì)工作過程。

關(guān)鍵詞：AD7864；PC104工控機(jī)；數(shù)據(jù)采集；雷達(dá)發(fā)射機(jī)

引言

柵控行波管放大器以其高增益、高功率輸出、相對(duì)低造價(jià)的特點(diǎn)，在雷達(dá)發(fā)射機(jī)中被廣泛采用。由于它工作在高壓、高功率、脈沖狀態(tài)，必須對(duì)其各級(jí)工作電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)精確的監(jiān)測(cè)，以確保其穩(wěn)定工作。

在對(duì)行波管工作參數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要同時(shí)采集多路信號(hào)，如燈絲電流、柵偏壓電壓，離子泵電流、陰極電壓、陰極電流、散焦電流等，再通過一定的算法來判定行波管的工作情況。在這個(gè)過程中，多路信號(hào)同時(shí)采樣對(duì)發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的判定準(zhǔn)確性有著很重要的意義。

一般的A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部只有一個(gè)采樣保持器，著要實(shí)現(xiàn)多路同時(shí)采樣，或者使用多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，或者加額外的采樣保持器。AD7864可以適應(yīng)這個(gè)需求，它是4通道同時(shí)采樣、順序轉(zhuǎn)換的高精度A/D轉(zhuǎn)換器，其高速并行輸出接口可與PC104工控機(jī)總線直接相連，PC104響應(yīng)其轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷取數(shù)，由此方案實(shí)現(xiàn)對(duì)多路行波管工作參數(shù)的精確測(cè)量，具有精度高，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)功耗低的特點(diǎn)。AD7864

AD7864是美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的一款高精度、高采樣頻率、低功耗的信號(hào)采集芯片，分辨率為12位，可實(shí)現(xiàn)4通道同時(shí)采樣。AD7846的轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.65us/CH，采樣保持時(shí)間為0.35us，單通道最高采樣頻率為500kSPS。若四通道同時(shí)采樣，每通道最高采樣頻率可達(dá)130kSPS。信號(hào)輸出采用12位高速并行數(shù)據(jù)輸出接口，不需要電平轉(zhuǎn)換等處理，可直接連接MCU。通道選擇可以通過硬件或軟件實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和讀取可以選用內(nèi)部時(shí)鐘模式或外部時(shí)鐘模式。

AD7864通過引腳/INT/EXTCLK來選擇工作在內(nèi)部時(shí)鐘模式還是外部時(shí)鐘模式。內(nèi)部時(shí)鐘模式可最優(yōu)化AD7864的特性，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.65us，采樣頻率可達(dá)到最高。而外部時(shí)鐘模式的最高時(shí)鐘頻率是5MHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間為2.6us。

AD7864可以選擇VINl到VIN4這4個(gè)通道的任意子集來進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，被選擇的通道按升序排列進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通道選擇可以通過硬件通道選擇引腳(SLl到SL4)或可編程通道選擇寄存器來實(shí)現(xiàn)。

處理器讀取AD7864轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)有兩種方法：轉(zhuǎn)換中讀取和轉(zhuǎn)換后讀取。前者是在下一個(gè)通道轉(zhuǎn)換完之前讀取前一個(gè)通道的數(shù)據(jù)。后者則是在所有通道都轉(zhuǎn)換完讀取數(shù)據(jù)。

轉(zhuǎn)換中讀取數(shù)據(jù)芯片可以達(dá)到最高的數(shù)據(jù)吞吐率。其具體工作過程如下：一次轉(zhuǎn)換從轉(zhuǎn)換起始信號(hào)/CONVST的上升沿開始，4個(gè)采樣保持器同時(shí)處于保持狀態(tài)，1.6us后，得到轉(zhuǎn)換順序中第一個(gè)通道的數(shù)據(jù)，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換次轉(zhuǎn)換的結(jié)束。BUSY輸出信號(hào)表示所有選擇通道轉(zhuǎn)換都完成。每次/EOC信號(hào)變成低電平，執(zhí)行一次讀操作。

轉(zhuǎn)換后讀取數(shù)據(jù)的具體工作過程如下：在轉(zhuǎn)換起始信號(hào)/CONVST上升沿，4個(gè)采樣保持器進(jìn)入保持狀態(tài)，開始對(duì)選擇的通道采樣。同時(shí)，BUSY輸出信號(hào)被觸發(fā)為高電平，并在轉(zhuǎn)換過程中一直保持為高，當(dāng)全部通道轉(zhuǎn)換結(jié)束后，才變?yōu)榈碗娖健?EOC信號(hào)在每一個(gè)通道轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)均有效。全部通道轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)保存在AD7864內(nèi)部相應(yīng)的鎖存器中。全部通道轉(zhuǎn)換結(jié)束后，當(dāng)片選信號(hào)和讀信號(hào)有效時(shí)，就可以按照轉(zhuǎn)換順序從數(shù)據(jù)總線上并行讀取數(shù)據(jù)。發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊以PC/104工控機(jī)為核心，由PC/104工控機(jī)、AD7864信號(hào)采集芯片、接口邏輯電路、數(shù)據(jù)采集輸入電路等電路組成。完成對(duì)發(fā)射機(jī)行波管燈絲電流、柵偏壓電壓，離子泵電流、陰極電壓、陰極電流、散焦電流、收集極電流、柵極脈沖電壓、輸出功率、反射功率共十路信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，共采用三片AD7864同步采樣和轉(zhuǎn)換。

上述十路信號(hào)中行波管燈絲電流、柵偏壓電壓，離子泵電流、陰極電壓為直流信號(hào)，而陰極電流、散焦電流、收集極電流、柵極脈沖電壓、輸出功率、反射功率為脈沖信號(hào)，信號(hào)脈寬最窄為0.4us，十路信號(hào)還必須同時(shí)采樣。按通常的設(shè)計(jì)，對(duì)0.4us的脈沖采樣必須采用采樣頻率大于10MSPS的高速A/D才能真實(shí)還原脈沖的信息。這樣會(huì)帶來很大的數(shù)據(jù)處理量，而實(shí)際上我們只關(guān)心脈沖期間的數(shù)據(jù)，脈沖間歇期的數(shù)據(jù)對(duì)我們來說是無用的。而且高速A/D的輸入信號(hào)基本都在±2.5V以內(nèi)，在發(fā)射機(jī)這種高壓、高功率、大電流的工作環(huán)境里，信號(hào)很容易受到干擾，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的精確采樣。

采用AD7864就可很好的解決上述矛盾，將發(fā)射機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生的采樣脈沖同時(shí)加到三個(gè)AD7864的/CONVST端，將十路信號(hào)同時(shí)保持順序轉(zhuǎn)換，十路信號(hào)全部轉(zhuǎn)換結(jié)束后再由PC/104工控機(jī)控制將十組數(shù)據(jù)順序讀出。

為了將數(shù)據(jù)采集模塊和發(fā)射機(jī)的高壓、高功率、大電流工作環(huán)境進(jìn)行有效的隔離、簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)采集模塊的電路設(shè)計(jì)，在模擬信號(hào)的取樣輸入端全部采用霍爾傳感器和電流互感器，將處于高壓回路的電流和電壓檢出。傳感器的輸出信號(hào)范圍全部標(biāo)定在±5V以內(nèi)。這樣可省去十路信號(hào)調(diào)理電路，并且確保高、低壓回路的電氣隔離，提高了數(shù)據(jù)采集模塊的工作可靠性。

數(shù)據(jù)采集模塊硬件如圖1所示。圖中A1為FC/104工控機(jī)，D1為接口邏輯電路。D1采用Lattice公司的高性能CPLD-lspl048E實(shí)現(xiàn)，完成地址譯碼、取數(shù)中斷信號(hào)產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換起始信號(hào)/CONVST產(chǎn)生等功能。

三個(gè)AD7864均采用內(nèi)部時(shí)鐘模式，/INT/EXT CLK置低電平；采用硬件通道選擇，/WR、SLl-SL4置高電平，/H/S SEL置低電平；通道信號(hào)輸入范圍定為±5V，VIN^XA和VlN^XB短聯(lián)；數(shù)據(jù)讀出采用轉(zhuǎn)換后讀取數(shù)據(jù)模式，待十路信號(hào)全部轉(zhuǎn)換完成后觸發(fā)PC/104工控機(jī)外部中斷，將數(shù)據(jù)順序讀出。

數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換的工作過程如下：

1.接口邏輯電路D1根據(jù)發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換起始信號(hào)/CONVST加到三個(gè)A/D上，三個(gè)A/D同時(shí)對(duì)十路信號(hào)采樣保持并按預(yù)定順序開始轉(zhuǎn)換，此時(shí)三個(gè)BUSY信號(hào)均保持高電平。

2.十路信號(hào)全部轉(zhuǎn)換完成后，三個(gè)BUSY信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖剑窋?shù)據(jù)全部鎖存在AD7864的內(nèi)部鎖存器里。接口邏輯電路將三個(gè)BUSY信號(hào)處理后在最后一個(gè)BUSY信號(hào)的下降沿產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)，觸發(fā)PC/104工控機(jī)的外部中斷。

3.PC/104工控機(jī)響應(yīng)中斷后，按約定的地址控制接口邏輯電路，將相應(yīng)的片選信號(hào)/CS和讀使能信號(hào)/RD同時(shí)設(shè)置為低電平。PC/104工控機(jī)在每個(gè)約定地址順序進(jìn)行四次讀操作，將十路數(shù)據(jù)順序讀出。

結(jié)語

基于AD7864和PC/104工控機(jī)的發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊已成功應(yīng)用到某雷達(dá)發(fā)射機(jī)中，解決了發(fā)射機(jī)十路信號(hào)同步采樣的問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)射機(jī)核心器件一行波管工作參數(shù)的實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)，提高了故障保護(hù)速度。