基于CPLD的激励信号集成控制技术及应用

石 浩，敬 敏

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

机载雷达自诞生之日起，日趋向小型化、集成化方向发展，并在此基础上追求更高的可靠性和快速维修性。在这种思想的指导下，雷达发射机的控制电路愈加强大，涉猎更加广阔:它不再是给发射机电源发出“开”或者“关”这两条简单指令的一个部件，而是一个提供各种发射机运行参数检测、判断和保护的大脑中枢。甚至于发射机中所有需要的脉冲激励信号，均可由控制电路给出，使开关电源不再依赖环境性能参差不齐的定时电路模块。通过复杂可编程逻辑器件(CPLD)编程产生的激励波形充分利用了其可精密控制的特点，在发射机调制电源的纹波抑制等各方面都发挥了明显作用。本文将就此技术进行介绍和讨论。

1 CPLD激励波形编辑简介

CPLD可以根据用户各自需要构造逻辑功能的数字集成电路［1］。用户通过软件开发平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆将代码传送到目标芯片中，实现数字电路的功能。由于篇幅所限，本文仅简述波形产生的软件编程方法。

1.1 基本方波的编程产生

固定脉宽、周期的脉冲是开关电源激励波形最基本的一种形式。在发射机中，它一般用来激励生成固定电压的栅极截止或者导通电压。CPLD产生的原理是:通过一个时钟四分频后触发一个计数器，再利用三个比较器来确定脉冲的上升时刻、下降时刻和周期，由此来确定波形。其编程如图1所示。

图1 基本脉冲的产生编程原理

1.2 分时输出不同波形的脉冲编程

开关电源的激励在很多时候会应用在不同时间段使用不同的脉冲，在上述固定周期占空比的基础上，CPLD还可以应用编程设定时间点，从而设计不同时间段输出不同方波。如图2所示，CPLD编程设定好时间A和时间B，通过比较器触发图中的D触发器以及互锁电路，实现了在三个时间段选择不同波形的目标。

图2 分时输出不同波形方波的编程原理

除上述例子，还有很多方法设计所需要的波形。本文将在下文中着重介绍这种CPLD集成控制技术在某型行波管发射机各功能电路中的应用。

2 灯丝调制电路激励波形产生机制的改进

以往的灯丝调制电源激励波形采用小型集成电路产生固定脉冲［2］，如图3所示。其占体积大，且小型集成电路及其匹配电路元器件的使用使得可靠性下降。而且这种类型的电路无法进行在线编程，缺乏通用性。

图3 普通灯丝调制电源采用的原理

本文应用ispLSI1032-60LG可编程逻辑器件作为实例，其工作温度范围从-55℃～125℃，抗振等性能均较好。当然，CPLD芯片并非为上述激励波形专门设置，那样也就失去了其简化电路的意义，我们只是应用其强大的处理能力在剩余的I/O口完成了上述功能。

应用CPLD波形编程在灯丝调制电源激励波形产生机制上做出了改进，实现的功能有:(1)产生可编程的灯丝电源激励脉冲波形，满足不同灯丝电源激励波形需求;(2)产生可编程的调制电源的脉冲激励波形，满足不同灯丝电源激励波形需求;(3)为灯丝调制电源提供可编程形式的软启动过程，对不同需求的灯丝电源软启动时间、占空比等过程进行编程，输出激励波形。该技术应用CPLD产生脉冲激励信号，作为灯丝调制电源的脉冲激励输入，通过应用开关电路输出至隔离变压器，至高电位端进行整流和稳压处理，产生符合要求的灯丝电压和调制正偏和负偏电压，为行波管提供灯丝和栅极电压。其原理如图4所示。

图4 应用CPLD技术的灯丝调制电源

3 激励控制技术对软启动的控制

对于行波管发射机来说，在灯丝预热的过程中，阻值会随着灯丝温度的提高发生变化［3］。如果使用固定的稳压源为灯丝供电，在启动过程中会产生较大的浪涌电流，这会严重影响灯丝的寿命甚至损坏灯丝。因此在灯丝电源的设计上，必须采用软启动设计，也就是灯丝电压在预热过程中是从较低的值缓慢上升到额定工作值的。

以前设计的软启动电路很多参数都是由硬件决定的，如驱动电路外围所配的电阻、电容等，具体电路图如图5所示。本例采用1525控制芯片硬件驱动的电路。虽然1525控制芯片具有驱动电流较大的优势［4］，但是，外围电路的固定化设计导致通用性存在局限，无法利用同样的硬件电路适应不同的软启动时间要求。

图5 硬件芯片驱动的灯丝电路

采用CPLD技术可以简化上述驱动电路，因为驱动波形可以直接通过CPLD编程产生。另一个优势是，灯丝软启动可以通过对驱动波形工作比的控制，完全精确编程灯丝的预热时间。

如图6所示，我们通过编程对灯丝软启动进行了四个阶段的控制:

阶段1:脉宽为1.798 μs，占空比 9.74%;

阶段2:脉宽为3.602 μs，占空比 19.5%;

阶段3:脉宽为5.412 μs，占空比 29.3%;

阶段4:脉宽为7.221 μs，占空比 39.1%。

图6 可编程的灯丝激励波形

该设计使得灯丝电压在一分钟后形成到位。通过CPLD程序来设计驱动波形的占空比，由此来控制灯丝电压的建立过程。因占空比的差异，可以得出通过全波整流后四个阶段的灯丝电压分别如表1所示。

表1 灯丝电压建立过程

由此控制灯丝电压缓慢上升，我们达到了使灯丝电压精确软启动的目标。

4 在发射机输出信号频谱控制中的应用

在发射机各种指标中，输出频谱纯度最常见的干扰因素来自电源的开关频率。因为调制电源为行波管栅极(或者聚焦极)提供正偏压和截止偏压，而其开关频率通常是对栅极相位灵敏度产生最大影响的因素。

如何通过压制开关频率干扰的幅值来提高频谱纯度?在电源设计中常用到一种零电压导通技术［4］，简单来说，是通过对驱动波形频率和死区的控制，使得开关管在零电压时导通，压制开关管电压峰值，达到减小开关干扰的目的。以往通过与灯丝电源类似的控制芯片来设计驱动波形的频率和死区，而CPLD技术显然可以做得更为精确和出色。图7为CPLD提供驱动的正偏开关管DS波形，可以看出，零电压导通后，波形没有高频振荡尖峰。并且，由于开关管电压应力的减小，使得开关损耗降低，大大降低了开关管的散热设计压力。

图7 正偏电源开关管DS波形

经在某型已投入批产行波管发射机测试数据统计表明:通过此项技术的应用输出微波信号的杂散幅值由平均-66 dBC下降至平均-69.1 dBC，提高了发射机频谱纯度性能，如图8所示。

图8 调制电源开关频率杂散在频谱中得到压制

5 在载频调制技术中的应用

在栅极控制或者聚焦极控制的行波管发射机中，调制器是很重要的器件。它相当于发射机的最后一道控制开关，用来快速切换行波管工作或停止的两个状态［5］。近年来，由于对调制器小型化要求日益严格，控制极的载频调制技术也逐渐得到了推广，因为载频调制技术通过提高驱动波形的频率可以大幅缩小隔离变压器的尺寸。

CPLD的波形调制能力，对这项技术而言无疑是如虎添翼。因为以往采用的模块载频产生电路(如555电路等)产生的驱动波形，依赖于时钟电路固有的电路特性，如触发门电路、外围电路、固有频率等［6］。图9为CPLD产生载波信号驱动的调制器原理图。

图9 载频调制器电路原理图

CPLD编程产生波形不仅可以省略载频产生电路的设计，给小型化调制器腾出空间，而且可以提供更可靠的、可编程调节的载频波形。图10为CPLD产生的载频波形。

图10 CPLD产生的调制载频电路

调制载频波形驱动开关电路和高压隔离变压器，作用到高电位上的调制管上，如图11所示。

图11 开启和关断信号与调制管理极波形

CPLD产生载频调制后的激励波形，再通过图9中所示隔离变压器，作用在调制管的栅极上。由于调制管的结电容对载频进行解调，形成图11所示的栅极控制波形。

6 结束语

本文介绍的基于CPLD的集成控制技术在某型机载雷达发射机的开关电源中应用良好。它对发射机性能的提升和电路的简化作用明显，并且经环境试验、试飞验证稳定可靠。笔者认为这一类型集成控制技术具有相当高的研究价值和广泛的应用前景。

［1］ 宋万杰.CPLD技术及其应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社，1999.Song Wanjie.CPLD technology and application［M］.Xi＇an:Publishing House of Xidian University，1999.

［2］ 孙 敏.一种机载行波管发射机灯丝调制电源的设计［J］.现代雷达，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］ 张 彦.一种新型行波管灯丝电源的设计［J］.舰船电子对抗，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］ 黄书强，王海欣，张 君，等.数字化软开关高频开关电源模块设计［J］.电气自动化，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.发射机高压脉冲调制器的设计与实践［M］.北京:电子工业出版社，2009.Wei Zhi.High voltage pulse modulator design and practice［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2009.

［6］ 杨 军.载频解调式脉冲调制器的研制［J］.现代雷达，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.