CPLD在发射机控制保护系统中的应用

1.2.6 门开关保护

由于发射机内有高压，为保护人身安全，不允许在发射机开盖的状态下加高压。

2 控制保护系统功能的实现

2.1 组合控制逻辑

由一片CPLD（图1中为CPLD1）完成如下功能：——风冷延时和预热延时；

——接受键盘上的“低压通/断”、“高压通”、“高压断”、“复位”、“天线/负载转换”等指令，产生相应的逻辑；

——控制加高压的顺序，必须先通低压，加灯丝电压、待灯丝“预热”状态结束，并无任何故障时，才允许加高压；高压升到一定的幅度才允许加触发脉冲；当出现任何故障的时候，都必须首先切断高压；完成正常状态与故障状态的显示和编码，即把各种状态指示出来，如按“低压通”键时，“低压通”灯应亮；预热状态时“预热”灯亮；风冷状态下“风冷”灯应亮；预热状态结束时，“高压断”灯应亮；按“高压通”键时，“高压通”灯应亮；当发生任何故障时，均应切断高压，“保护”灯应亮，同时对应该故障的灯应亮；当故障排除后，按“复位”键，系统应能回到高压断状态；另外，还要把多种故障编成码，送中心机显示。

2.2 时序控制逻辑

由另一片CPLD（图1中为CPLD2）实现，这一片CPLD的功能是分时地采样5路模拟信号，将其转换成数字信号，送入相应的锁存器里，然后与各自的数字基准比较，超过基准的判为“高”，并将比较的结果送入上一片CPLD作为故障指示。按照上述要求，这一片CPLD应完成如下功能：

——给多路A/D产生地址选择信号，并在每一路地址有效期间完成；另外，产生数据采样信号给A/D变换器，使A/D开始转换，转换完后，在70ns内将转换的数据送入相应的锁存器；

——进行多路数字比较，产生故障信号，并将故障信号送入控制组合逻辑的CPLD，切断高压。

3 控制保护系统方框图

控制保护系统的方框图如图1所示。CPLD1主要完成对发射机的开关顺序控制。CPLD2主要给A/D变换产生时序，以及完成数字比较，产生各种门限保护。差分运放主要是用来去除来自发射机内的取样信号的共模干扰。光接受器/锁相环主要是采样悬浮于地的收集极电压。阴极脉宽调制器主要产生驱动阴极高压电源的脉宽调制信号。收集极脉宽调制器主要产生驱动收集极高压电源的脉宽调制信号。

4 实现控制保护系统功能时出现问题的分析和解决办法

4.1 电平反串

由于发射机在起始通电状态下只有热电源在工作，其余部分都不上电，当按下“低压通”键时，发射机其余部分才上电。所以，发射机的控制保护电路必须要把“低压通”键和其余键的逻辑分开，即“低压通”键的逻辑不能与其余键的逻辑一起置于CPLD中，而必须拿出来单独处理。它的作用就是只对控制“低压通”键的芯片上电。这就产生了由于上电分先后而带来的电平反串问题，即在只有加热电源时，就有1.8V左右的电平串入单独给CPLD供电的＋5V电源中，而这时给CPLD供电的＋5V电源并未加，由于CPLD是3.3V/5V都可工作的，所以CPLD这时已经开始工作，产生许多错误逻辑，使许多故障灯都亮了，这是不允许的。测试发现这个反串电平是由于54HC245这个芯片带来的，而且后来发现，驱动能力越强的芯片，反串电平就越严重。

解决的办法是将送显示的驱动芯片换掉，都改成光电耦合器，这样就解决了反串电平的问题，而且有利于将控制保护电路板子上的地和外界隔开，对A/D变换也有好处。

4.2 按键抖动

虽然加了一些消除按键抖动电路，但是效果都不太理想，尤其是“高压通”和“高压断”两个按键，由于是上升沿触发，而且状态互锁，致使有时按下“高压通”键，一松手状态就保持不住，又回到“高压断”状态；有时按下“高压断”键又回不到“高压断”状态。用示波器观察波形，发现在按键按下和松开时有抖动。为此对“高压通”和“高压断”键入的信号，利用时钟信号触发D触发器，再通过D触发器送入CPLD，效果非常明显，消除了按键抖动。

图1

    4.3 A/D变换的精度

这个问题是整个电路中最关键的问题。

500mV的纹波，对逻辑电平不会产生太大的影响，既不会造成错误电平，也不会误报故障，但是对A/D来说，却太大了。

以最大电压5V，8位的A/D来说，最小量化单位δ=(1/2 8-1)×5≈20mV，500mV的纹波，对于十进制=25，对于十六进制是19H，对于二进制是11001B，相当于5位都在跳。对于12位的A/D说，最小量化单位δ=(1/2 12-1)×5=5/4094=1.2mV，500mV的纹波，对于十进制500/1.2≈417，对于十六进制是1A1H，对于二进制是110100001B，相当于9位在跳，这样大的纹波，大大影响了A/D的精度。就拿阴极电压来说，12kV的阴极电压，过压门限按5％计算，是12.6kV，那么这600V电压转换成5V电平相当于600/12000×5=250mV，电平的变化淹没在噪声中，根本就体现不出来。不能完成过欠压的精细比较。要想完成精细比较，纹波就得降下来。当纹波小于100mV时，对于8位A/D变化只有3位在变，电平的变化没有淹没在噪声中，是可以使用的，当然纹波处理得越小越好。即使实在降不到太小，还可以通过数字信号处理的方法，用各种数字滤波器，对变换出来的数字信号滤掉干扰。

具体解决的办法如下：

——将采样各路信号的模拟电压通过线性光耦与发射机的地隔离，使发射机的地线噪声不会进控制保护板；

——所有输入的信号都加光耦，使发射机的地与整个控制保护电路的模拟地、数字地隔开；

——整个控保电路的模拟地、数字地悬浮起来，外加屏蔽罩。

采用以上方法后，A/D精度有了明显的改善，能使纹波达到100mV。

5 结语

该控制保护电路板已经在发射机上完成联调，其控制和保护的功能，以及闭环加高压的功能全都实现，精度满足要求。当需要更高采样精度时，则可以用一些数字信号处理的方法来进一步对A/D转换过来的数字量进行处理，使精度进一步提高。

新技术的发展使发射机控制保护电路的技术不断进步，CPLD在实现控制保护电路功能方面有其独到的优势，在国外这种模块化的控制保护电路已经很普遍，跟上国际先进技术应是我们努力的方向。

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