基于CPLD的激勵信號集成控制技術及應用

石 浩，敬 敏

(南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

機載雷達自誕生之日起，日趨向小型化、集成化方向發展，并在此基礎上追求更高的可靠性和快速維修性。在這種思想的指導下，雷達發射機的控制電路愈加強大，涉獵更加廣闊:它不再是給發射機電源發出“開”或者“關”這兩條簡單指令的一個部件，而是一個提供各種發射機運行參數檢測、判斷和保護的大腦中樞。甚至于發射機中所有需要的脈沖激勵信號，均可由控制電路給出，使開關電源不再依賴環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)編程產生的激勵波形充分利用了其可精密控制的特點，在發射機調制電源的紋波抑制等各方面都發揮了明顯作用。本文將就此技術進行介紹和討論。

1 CPLD激勵波形編輯簡介

CPLD可以根據用戶各自需要構造邏輯功能的數字集成電路［1］。用戶通過軟件開發平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應的目標文件，通過下載電纜將代碼傳送到目標芯片中，實現數字電路的功能。由于篇幅所限，本文僅簡述波形產生的軟件編程方法。

1.1 基本方波的編程產生

固定脈寬、周期的脈沖是開關電源激勵波形最基本的一種形式。在發射機中，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產生的原理是:通過一個時鐘四分頻后觸發一個計數器，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 基本脈沖的產生編程原理

1.2 分時輸出不同波形的脈沖編程

開關電源的激勵在很多時候會應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上，CPLD還可以應用編程設定時間點，從而設計不同時間段輸出不同方波。如圖2所示，CPLD編程設定好時間A和時間B，通過比較器觸發圖中的D觸發器以及互鎖電路，實現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集成控制技術在某型行波管發射機各功能電路中的應用。

2 燈絲調制電路激勵波形產生機制的改進

以往的燈絲調制電源激勵波形采用小型集成電路產生固定脈沖［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 普通燈絲調制電源采用的原理

本文應用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置，那樣也就失去了其簡化電路的意義，我們只是應用其強大的處理能力在剩余的I/O口完成了上述功能。

應用CPLD波形編程在燈絲調制電源激勵波形產生機制上做出了改進，實現的功能有:(1)產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)產生可編程的調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。該技術應用CPLD產生脈沖激勵信號，作為燈絲調制電源的脈沖激勵輸入，通過應用開關電路輸出至隔離變壓器，至高電位端進行整流和穩壓處理，產生符合要求的燈絲電壓和調制正偏和負偏電壓，為行波管提供燈絲和柵極電壓。其原理如圖4所示。

圖4 應用CPLD技術的燈絲調制電源

3 激勵控制技術對軟啟動的控制

對于行波管發射機來說，在燈絲預熱的過程中，阻值會隨著燈絲溫度的提高發生變化［3］。如果使用固定的穩壓源為燈絲供電，在啟動過程中會產生較大的浪涌電流，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計上，必須采用軟啟動設計，也就是燈絲電壓在預熱過程中是從較低的值緩慢上升到額定工作值的。

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

圖5 硬件芯片驅動的燈絲電路

采用CPLD技術可以簡化上述驅動電路，因為驅動波形可以直接通過CPLD編程產生。另一個優勢是，燈絲軟啟動可以通過對驅動波形工作比的控制，完全精確編程燈絲的預熱時間。

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

該設計使得燈絲電壓在一分鐘后形成到位。通過CPLD程序來設計驅動波形的占空比，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 在發射機輸出信號頻譜控制中的應用

在發射機各種指標中，輸出頻譜純度最常見的干擾因素來自電源的開關頻率。因為調制電源為行波管柵極(或者聚焦極)提供正偏壓和截止偏壓，而其開關頻率通常是對柵極相位靈敏度產生最大影響的因素。

如何通過壓制開關頻率干擾的幅值來提高頻譜純度?在電源設計中常用到一種零電壓導通技術［4］，簡單來說，是通過對驅動波形頻率和死區的控制，使得開關管在零電壓時導通，壓制開關管電壓峰值，達到減小開關干擾的目的。以往通過與燈絲電源類似的控制芯片來設計驅動波形的頻率和死區，而CPLD技術顯然可以做得更為精確和出色。圖7為CPLD提供驅動的正偏開關管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，由于開關管電壓應力的減小，使得開關損耗降低，大大降低了開關管的散熱設計壓力。

圖7 正偏電源開關管DS波形

經在某型已投入批產行波管發射機測試數據統計表明:通過此項技術的應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，提高了發射機頻譜純度性能，如圖8所示。

圖8 調制電源開關頻率雜散在頻譜中得到壓制

5 在載頻調制技術中的應用

在柵極控制或者聚焦極控制的行波管發射機中，調制器是很重要的器件。它相當于發射機的最后一道控制開關，用來快速切換行波管工作或停止的兩個狀態［5］。近年來，由于對調制器小型化要求日益嚴格，控制極的載頻調制技術也逐漸得到了推廣，因為載頻調制技術通過提高驅動波形的頻率可以大幅縮小隔離變壓器的尺寸。

CPLD的波形調制能力，對這項技術而言無疑是如虎添翼。因為以往采用的模塊載頻產生電路(如555電路等)產生的驅動波形，依賴于時鐘電路固有的電路特性，如觸發門電路、外圍電路、固有頻率等［6］。圖9為CPLD產生載波信號驅動的調制器原理圖。

圖9 載頻調制器電路原理圖

CPLD編程產生波形不僅可以省略載頻產生電路的設計，給小型化調制器騰出空間，而且可以提供更可靠的、可編程調節的載頻波形。圖10為CPLD產生的載頻波形。

圖10 CPLD產生的調制載頻電路

調制載頻波形驅動開關電路和高壓隔離變壓器，作用到高電位上的調制管上，如圖11所示。

圖11 開啟和關斷信號與調制管理極波形

CPLD產生載頻調制后的激勵波形，再通過圖9中所示隔離變壓器，作用在調制管的柵極上。由于調制管的結電容對載頻進行解調，形成圖11所示的柵極控制波形。

6 結束語

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

［1］ 宋萬杰.CPLD技術及其應用［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.

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