引言
柵控行波管放大器以其高增益、高功率輸出、相對低造價(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)，必須對其各級工作電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)精確的監(jiān)測，以確保其穩(wěn)定工作。
在對行波管工作參數(shù)進(jìn)行測量時(shí)，需要同時(shí)采集多路信號，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，多路信號同時(shí)采樣對發(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，若要實(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)對多路行波管工作參數(shù)的精確測量，具有精度高，電路結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)功耗低的特點(diǎn)。
AD7864
AD7864是美國ADI公司生產(chǎn)的一款高精度、高采樣頻率、低功耗的信號采集芯片，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1.65ms/CH，采樣保持時(shí)間為0.35ms，單通道采樣頻率為500 kSPS。若四通道同時(shí)采樣，每通道采樣頻率可達(dá)130 kSPS。信號輸出采用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/EXT CLK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)鐘模式可化AD7864的特性，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.65ms，采樣頻率可達(dá)到。而外部時(shí)鐘模式的時(shí)鐘頻率是5 MHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間為2.6ms。
AD7864可以選擇VIN1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(SL1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/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)，1.65ms后，得到轉(zhuǎn)換順序中個(gè)通道的數(shù)據(jù)，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換都有1.65ms的間隔。/EOC信號的下降沿便是每次轉(zhuǎn)換的結(jié)束。BUSY輸出信號表示所有選擇通道轉(zhuǎn)換都完成。每次/EOC信號變成低電平，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/CONVST上升沿，4個(gè)采樣保持器進(jìn)入保持狀態(tài)，開始對選擇的通道采樣。同時(shí)，BUSY輸出信號被觸發(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)片選信號和讀信號有效時(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，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，信號脈寬窄為0. 4ms，十路信號還必須同時(shí)采樣。按通常的設(shè)計(jì)，對0. 4ms的脈沖采樣必須采用采樣頻率大于10 MSPS的高速A/D才能真實(shí)還原脈沖的信息。這樣會帶來很大的數(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)對我們來說是無用的。而且高速A/D的輸入信號基本都在±2.5 V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，信號很容易受到干擾，很難實(shí)現(xiàn)對信號的精確采樣。
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，將十路信號同時(shí)保持順序轉(zhuǎn)換，十路信號全部轉(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、簡化數(shù)據(jù)采集模塊的電路設(shè)計(jì)，在模擬信號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。傳感器的輸出信號范圍全部標(biāo)定在±5 V以內(nèi)。這樣可省去十路信號調(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PC/104工控機(jī)，D1為接口邏輯電路。D1采用Lattice公司的高性能CPLD—Isp1048E實(shí)現(xiàn)，完成地址譯碼、取數(shù)中斷信號產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換起始信號/CONVST產(chǎn)生等功能
圖1 發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊硬件圖
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、 SL1-SL4置高電平，/H/S SEL置低電平；通道信號輸入范圍定為±5 V，VINXA和VINXB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/CONVST加到三個(gè)A/D上，三個(gè)A/D同時(shí)對十路信號采樣保持并按預(yù)定順序開始轉(zhuǎn)換，此時(shí)三個(gè)BUSY信號均保持高電平。
2.十路信號全部轉(zhuǎn)換完成后，三個(gè)BUSY信號由高電平變?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信號處理后在一個(gè)BUSY信號的下降沿產(chǎn)生中斷請求信號，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/CS和讀使能信號/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)十路信號同步采樣的問題，實(shí)現(xiàn)了對發(fā)射機(jī)核心器件—行波管工作參數(shù)的實(shí)時(shí)精確監(jiān)測，提高了故障保護(hù)速度。
參考文獻(xiàn)：
1. 4-Channel,Simultaneous Sampling,High Speed,12-Bit ADC AD7864. Analog Devices Inc.2004
2. ispLSI 1048 In-System Programmable High Density PLD Lattice Semiconductor Corp. 2000
3. PC/104 規(guī)范V 2.5，PC/104 嵌入式協(xié)會1992～2003
4. 王新全, 防空導(dǎo)彈制導(dǎo)雷達(dá)收發(fā)設(shè)備, 宇航出版社, 1996.6
5. 陸君連、黃軍, 以太網(wǎng)在雷達(dá)發(fā)射機(jī)控制和保護(hù)中的應(yīng)用, 現(xiàn)代雷達(dá), 2003.10第10期