CINRAD/SA雷达发射机主控板芯片级故障诊断技术

刘 洁, 邵 楠, 陈玉宝

(中国气象局气象探测中心,北京 100081)

0 引言

“十三五”建设任务完成后,中国将建成由270余部天气雷达组成的监测网。随着雷达数量增多,雷达故障总量越来越多,发射系统是雷达故障高发的分系统。发射系统不仅有集成电路、分立半导体电路,还有固态调制器和高压电路,电路复杂,故障率高,一直是新一代天气雷达故障维修难点。王志武等[1-2]介绍了电子设备规范化维修流程和FTD,杨传风等[3-19]从不同方面介绍了天气雷达故障处理方法。所有上述故障维修都是基于分机和组件级故障诊断,没有针对发射机的控制系统,尤其是控制板的芯片级故障诊断进行研究,控制板主要由集成电路组成,信号传输都是数字信号,电路复杂,是发射机故障诊断的难点。本文针对新一代天气雷达SA型(CINRAD/SA)雷达发射机主控板器件级故障诊断技术进行研究。根据主控板同功能电路内芯片可以通用的特点,通过总结发射机主控板的时序信号、故障报警信号、状态信号等信号流程,结合关键器件的通用性特点和关键点参数(波形、电平)测试,研究出主控板芯片级故障诊断方法,通过故障诊断验证了技术可行性,表明主控板芯片级故障诊断方法可快速定位故障芯片。基层雷达技术人员只要熟悉主控板信号流程,不需要借助昂贵的测试仪表。使用该方法,一方面提高了发射机故障诊断效率,保障了天气雷达可靠、稳定运行;另一方面降低了维修成本。

1 信号流程

控制保护板3A3A1是发射机的控制核心,而单片机及现场可编程门阵列FPGA、复杂可编程逻辑器件CPLD则又是控制保护板的核心。发射机主控板信号包括来自接收机数字中频的发射机时序信号、控制命令等,以及发射机经DAU上报到RDA计算机的发射机报警信息、状态信息等。

发射机内部接口信号有:定时信号、故障信号、状态信号和控制信号。

发射机7路定时脉冲信号,由FPGA输出至发射机内部各单元。

状态信号包括:本控/遥控信号、手动/自动信号、灯测试信号、高压通信号、高压断信号、故障复位信号和显示复位信号。

故障信号包括:电网超限信号、低压电源综合故障信号、灯丝电压失常信号、钛泵电压过低信号、磁场电压失常信号、磁场电流失常信号、磁场风流量故障信号、触发器综合故障信号、调制器过流信号、调制器反峰过流信号、调制器开关管故障信号、钛泵过流信号、速调管风温过高信号、速调管风流量故障信号、油温过高信号、油面过低信号、机柜风流量故障信号、机柜温度过高信号、机柜门开关故障信号、后充电校平维修请求信号、调制开关维修请求信号、重复频率过高信号、灯丝电流失常信号、束流过大信号、充电反馈过流信号、充电系统故障信号、充电过压信号和人工线过流信号。这些信号经光耦隔离后,送入主控板。

控制信号有:复位控制信号、脉宽选择控制信号、使能控制信号。这些信号,由FPGA经光耦隔离,送至各单元。

信号流程如图1所示。

图1 主控板信号流程

所有分级、模块的外部故障、状态、指令输入都经过光耦隔离器后进入FPGA,而FPGA给各个分机、模块的指令和使能输出也经过反向驱动器和光耦隔离器后送出。发射机同步信号流程见图2,故障报警信号流程见图3,使能控制信号流程见图4。

图2 发射机同步信号信号流程图

图3 故障报警信号流程图

图4 使能控制信号流程图

2 关键点波形

关键点波形正确与否是诊断故障到芯片级器件的一个重要依据,结合主控板芯片级故障诊断方法就可以快速定位故障到芯片电路。来自接收机数字中频的发射机7路定时脉冲信号见表1。使能信号都是低电平,正常工作是通过低电平控制各组件工作;报警信号报警状态光耦输入为低电平信号,输出到FPGA为低电平信号,雷达正常工作状态,光耦输入为高电平信号,输出到FPGA为高电平信号。

表1 发射机7路定时脉冲信号波形

其中,接收机口板XP2的第10个端口为GND;第7个端口为保护器命令信号,正脉冲信号,信号幅度3.3 V,脉宽16 μs;第8个端口为保护器响应信号,正脉冲信号,信号幅度2.2 V。

3 故障诊断技术与方法

发射机控制保护系统故障通常出现以下现象:无定时触发信号输出;无使能信号或使能信号电平输出不正常(正常为低电平);由于器件损坏或性能参数不稳定造成错误的报警或保护性停机(如:差分接收发送芯片抗干扰差导致虚警、隔离光耦损坏等);脉宽、高压通断、准加控制等出现故障。

控制保护系统故障一般有3种情况。(1)检查控制保护系统的输入、输出信号。若输入信号正常,但输出信号不正常;或者输出使能信号不正常导致高压准加控制不正常。(2)若出现监控系统发出高压控制指令(接通高压)后,发射机不工作(人工线无高压),报高压软启动连锁故障,但整流组件3A2延时软启动回报信号正常。(3)高压准加时间不正常,准加灯一直不亮或预热时间不到13分钟。

在定位到主控板故障后,有两种定位到故障芯片的方法:按照信号流程采用测量信号波形或电平高低是否正常定位故障芯片;按照信号流程采用从后级到前级更换器件方法,首先更换易损的差分接收发送芯片,再排查光耦隔离芯片,直到找出故障芯片,使主控板输出信号正常。

对于其中一路定时触发信号不正常的情况,按照信号流程采用示波器测量逐级测量功能模块的输入和输出信号,主控板输入触发信号为差分脉冲信号,脉宽0.8 μs,幅度3.3V,经差分输出后变为脉宽0.8 μs、幅度3.3 V的正脉冲信号,在经过非门输出为脉宽0.8 μs、幅度3.3 V的负脉冲信号,最后经过光耦输出到D1(FPGA)的信号为脉宽0.8 μs、幅度3.3 V的正脉冲信号;D1(FPGA)通过和输入相反信号处理过程,把触发信号输出到发射机各分机。对于每个功能模块(集成芯片)如果输入信号正常但输出信号不正常,说明这个芯片故障。一般先测量数字中频输出的触发信号,如正常则按照差分接收、非门、光耦顺序检查输入路径的芯片是否有问题,如果波形都正常,则按照非门、光耦、差分发送顺序检查输出路径的芯片是否有问题,直至找出故障芯片。

对于由主控板故障导致报警虚警问题,首先测量报警光耦输入信号是否为低电平,如为低电平说明主控板前级故障报警;如果为高电平,则测量报警光耦输出。如果为低电平,说明光耦故障;如果输出为高电平,则D1故障或者线路板问题。

如果不熟悉仪表测量方法,可以采用更换相同型号芯片的方法。主控板电路中差分发送接收芯片、光耦芯片等,大部分型号都是一样的,可以进行对换,如果对换后故障依旧,说明对换的芯片正常,可以按照信号流程继续下一级芯片对换,直到对换后故障发生变化,说明对换的芯片故障,更换故障芯片即可。

4 典型故障

故障现象:发射机加高压后无人工线电压。故障分析诊断:发射机加高压后,用示波器测量开关组件3A10无充电触发脉冲信号(不是正常的脉宽0.8 μs、幅度3.3 V脉冲差分信号,而是低电平信号);再测量接收机接口板发射机测量端口XP2的第5个端口测量数字中频输出充电触发脉冲信号正常(为脉宽0.8 μs、幅度3.3 V负脉冲信号),说明主控板问题。进一步用示波器测量发射机主控板差分接收芯片D15输入(1和2脚)差分信号正常(为脉宽0.8 μs、幅度3.3 V的脉冲差分信号),输出(3脚)没有脉宽0.8 μs、幅度3.3 V正脉冲信号,而是低电平信号,说明主控板充电触发脉冲信号接收通道的差分接收芯片故障,更换D15后雷达恢复正常。

故障现象:发射机报警——发射机过压。故障分析诊断:采用调压器法,0 V状态开高压,仍报警,说明发射机过压为虚警,检查发射机开关组件3A10人工线过压报警非门D15/6脚输出为正常高电平(不是报警低电平状态),更换光耦N27后故障依旧,说明是主控板问题,依据发射机报警信号流程,采用对换法,更换报警电路集成块V9后,雷达恢复正常。

5 结束语

(1)主控板故障维修如果要达到芯片级,必须熟悉线路图中关键芯片的输入、输出信号特征,分析故障导致的原因,准确区分是主控板故障还是主控板前级或后级故障,通过波形测试或互换器件来定位故障到芯片级。

(2)通过主控板信号流程了解故障因果关系,主控板芯片级关键点的性能参数(波形、电平等)应输入到对应的测试维修数据库中,以便维修时关键点波形对比查询,可以快速定位故障点,提高故障诊断效率,这对国家级雷达故障诊断平台的故障自动诊断建模,以及故障人工智能诊断具有重要意义。