（生物医学工程专业论文）基于嵌入式系统的行波管监控系统研制.pdf

a b s t r a c t t r a v e l i n gw a v et u b e 仃w di sak i n do fp o w e ra m p l i f yv a c u u mt u b ew i t hc h a r a c t e r i s t i c ss u c h a sw i d e - b a n d ，h i g h g a i n ，h i g ho u t p u tp o w e r , w h i c hh a sb e e nt h ec o r ed e v i c eo fc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，r a d a r ，e l e c t r o n i cc o u n t e r m e a s u r e s ，g r o u n ds t a t i o n s ，a n dm i c r o w a v eh e a t i n gb yp r e s e n t ， p l a y i n ga ne x t r e m e l yi m p o r t a n tr o l ei nm o d e mh i g h - t e c hw a r s t h ew i d ea p p l i c a t i o nl e a d st oa h i g h e rd e m a n do ft w t sr e l i a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c e e x c e p tf o ri n c r e a s i n gt h er e l i a b i l i t ya n d p e r f o r r f l a n c et h r o u g ht w td e s i g n ，m a n u f a c t u r e ，a n dt h ei m p r o v e m e n to ft h es y s t e mi n t e r f a c ea n d e n v i r o n m e n t ，o n l i n ea u t o m a t i c a l l yd e t e c t i o n ，m o n i t o r i n g ，r e c o r da n de v a l u a t i o no ft w t w o r k i n g s t a t ep l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ne n s u r i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m ，p r e d i c t i n gt h e r e m a i n i n gl i f e ，r e a l - t i m ep r e s e r v i n ga n do b t a i n i n gr e l i a b i l i t yp a r a m e t e ra n de t c t h e r e f o r e ，t h ep a p e rd e v e l o p e dat w ta u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do na r m e m b e d d e ds y s t e m t h es y s t e ma p p l i e da $ 3 c 2 4 1 0o p e r a t o r , w h i c hb a s e do na r m 9 2 0 t d e s i g n ，a s t h ec o r eo fc o n t r o la n dp r o c e s s i n g ，s u p p l e m e n tb yp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) t od e s i g n t h ei n t e r f a c el o g i cc i r c u i t i t i m p l e m e n t st h er e a l - t i m em o n i t o r i n go fe v e r yc h a n n e lw o r k i n g p a r a m e t e ro fc o m m o nt w t ( c o n t i n u o u sw a v ea n dp u l s e dw a v e ) i n c l u d i n gt i t a n i u mp u m pv o l t a g e a n dc u r r e n t ，t h et u b ev o l t a g ea n dc u r r e n t ，c o l l e c t o rv o l t a g ea n dc u r r e n t , a n o d ev o l t a g ea n dc u r r e n t , t h eg a t eb i a sv o l t a g ep o w e rs u p p l y , p o w e rs u p p l yv o l t a g em o d u l a t i o n ，t h ef i l a m e n tp o w e r s u p p l y ( d c ，a c ) v o l t a g ea n df i l a m e n tc u r r e n t b ym o n i t o r i n gt h eo b j e c t sr e f e r e di nr e a l t i m e ，t h e s y s t e m ，c a nc a r r yo u tp o w e rc u t - o f fw h e na b n o r m a lo c c u r st op r o t e c tt w tw h e nt h ea b n o r m a l s i g n a li sg e n e r a t e dd u et ot h em a l f u n c t i o no fmi n t e r r u p t i o nt e c h n i q u ei se m p l o y e d ，b yw h i c h r a p i dp r o c e s s i n gc a nb ec a r r i e do u tb ye m b e d d e do p e r a t o rt oc u to f ft w tp o w e r f o r m e rs e n d i n gc i r c u i ta n dl a t e rr e c e i v i n gc i r c u i tw e r ed e s i g n e dt oc o n d u c tt h em e a s u r e m e n t r e l i a b l e l ya n ds a f e l y , b o t ho fw h i c ha p p l yo p t i c a lf i b e rt oi s o l a t eh i g ht e n s i o np o w e r h i g h v o l t a g e s a m p l i n gc i r c u i t ，s i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，v o l t a g e - t o - f r e q u e n c yc o n v e r t i n gc i r c u i ta n do p t i c a l s i g n a lt r a n s m i t t i n gc i r c u i tw e r ed e s i g n e di nf o r m e rs e n d i n gc i r c u i t ，w h i l eo p t i c a lr e c e i v i n gc i r c u i t ， p r e s s u r e f r e q u e n c yc o n v e r t i n gc i r c u i t ，a dc o n v e r t i n gc i r c u i t ，a sw e l la si n t e r f a c el o g i cc i r c u i t s b a s e do nc p l da n da r me m b e d d e dp r o c e s s o rw e r ei nl a t e rr e c e i v i n gc i r c u i t w h e nc a r r y i n go u tt h ep u l s em o d u l a t i o nt w t r e l i a b i l i t yt e s t ，t h ec o u n t e rd e s i g n e dw i t h c p l dw a sa p p l i e dt om e a s u r et h ew i d t ha n dp e r i o do ft h eg r i dp u l s e ，b yw h i c ht h em o n i t o r i n go f p u l s ew i d t ha n dd u t yc y c l ec a nb ea c h i e v e d b e s i d e s ，h i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o nc a r da l o n gw i t h i t sa c c o m p a n y i n gs o f t w a r ew e r ea p p l i e dt od i s p l a yt h ec o l l e c t o rc u r r e n tp u l s ew a v ei nr e a l t i m e t h es y s t e ms o f t w a r ei sb a s e do nt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e m s t r u c t u r e da n dm o d u l a rd e s i g n l l a b s t r a c t m e t h o dw e r ee m p l o y e dt oa c h i e v et h ed e s i g no fd r i v e rp r o g r a ma n da p p l i c a t i o np r o g r a mb a s e do n l i n u x ，a sw e l la sf u n c t i o n ss u c ha st h ep o w e ra c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go fd i f f e r e n tt w tp o l e s ， r e a l t i m ed i s p l a yo fs i g n a lw a v e f o r m sa n dv a l u e s ，a n dt h es e r i a ld a t at r a n s m i s s i o n d a t ac a nb e c o m m u n i c a t e dw i t hu p p e rp cb yr s 2 3 2s e r i a li n t e r f a c e ，a n dt h e nr e a l i z e st h ef u n c t i o n ss u c ha s t w t p a r a m e t e ra n a l y s i s ，c o m p a r i s o n ，r e a l t i m ed i s p l a y , s t o r ea n dp r i n t t h em o n i t o r i n gm o d u l e ，t w tp o w e rs u p p l y , t o g e t h e rw i t hu p p e rp cd a t a p r o c e s s i n g p l a t f o r mc o n s t i t u t e sar e l i a b l et w tt e s t i n gs y s t e m t h et w t d e t e c t i n gs y s t e mw a sp r o v e dt ob e s t a b l ea n dr e l i a b l ea f t e rl o n gp e r i o d sr u n n i n ga n dd e b u g g i n g ，a n dt h ed e s i r e do b j e c t i v eo ft h e d e s i g nw a sa c h i e v e k e y w o r d s ：t r a v e l l i n gw a v et u b e ( t w t ) ；a r me m b e d d e ds y s t e m ；a u t o m a t i cm o n i t o r i n g i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：望j 芗笾e t期：垄亟生! 鱼 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：马盛新签名：日期：丝型：垒： ! 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 自1 9 4 3 年美国物理学家康夹纳在英国制造出了世界上第一台行波管以来，有关行波管 的理论和设计不断地改进和完善，促进了行波管的广泛应用【1 l 【2 1 。现代行波管己成为雷达、 电子对抗、卫星通信、电视直播卫星、导航、遥感、遥控、遥测等电子设备的重要微波电子 器件【3 l 【4 1 ，在国防设备上，行波管被誉为武器装备的“心脏”。行波管的广泛应用也要求行波 管具备更高的稳定性和性能，现在国内外针对改进行波管电源、降低行波管噪声、提高行波 管效率等方面进行了广泛而深入的研究【5 1 ，然而行波管的稳定性不仅依赖制作工艺和设计， 还需要对其性能和工作参数进行监控以实时反映和记录其： 作状况并做出最快的保护措施， 这样能进一步提高行波管的可靠性并可根据电性能的变化情况预测行波管的寿命。由此可 见，设计和使用行波管在线监控和保护系统，对于提高行波管可靠性二 作，增加行波管的使 用寿命有着十分重要的作用【6 】，也成为进行行波管可靠性研究的重要工具。 1 1 1 行波管工作原理 行波管是基丁电子来与行波场的相互作用构成的微波真空电子管，它是一种增益高，噪 声低，频带宽的微波放人器件，可以放大和产生微波信号，起初行波管用于电压放大，宽带 宽和低噪声使得它成为微波设备中理想的射频放大器【7 】【8 l 。 行波管按照慢波结构的不同主要有两种基本类型：在宽带场合中使用的螺旋线行波管， 和在大功率场合中使用的耦合腔行波管。但是不管哪种类型，从结构上看，所有行波管的电 子枪、电子注和收集极都是相同的，区别之处仅在f 高频【乜路，而且它们的一i ：作原理也是相 同的。为此，这里以螺旋线行波管为例简要介绍行波管的：作原理【9 】【1 0 】。如图1 - 1 所示为螺 旋线行波管的基本结构。 聚惫壤碾磁铁妻撵撵 图1 - 1 螺旋线行波管的基本结构 从图1 1 可以看出，行波管在结构上包括电子枪、聚焦系统、慢波电路、输入输出装置 1 东南大学硕士学位论文 和收集极等五个部分。电子枪的作片j 是产生具有所需尺寸与电流的电子束，该电子束被加速 到比慢波结构上行进的电磁波相速稍快一些，以便与电磁场交换能量而实现放大。常用的电 子枪有皮尔斯枪、皮尔斯会聚枪、高导枪、带预聚焦极的枪、栅控枪等。一般电子枪包括热 丝、阴极、聚束极和阳极。聚焦系统使电子注保持所需形状，保证电子注顺利穿过慢波电路 并与微波场发生有效的相互作用，最后由收集极接收电子注。待放大的微波信号经输入能量 耦合器进入慢波电路，并沿慢波电路行进，电子与行进的微波场进行能量交换，使微波信号 得到放大。放人后的微波信号经输出能量耦合器送至负刻1 1l 。 而要使行波管正常稳定地工作，需要给其提供稳定可靠的多路高低压并存的工作电源。 1 1 2 用于可靠性测试的行波管工作电源 行波管各极供电电源稳定协调地运行是保证行波管正常工作的基础。行波管有连续波、 脉冲波和双模等多种工作方式，为了可以开展多种类型的行波管老化寿命检测试验，项目研 制的行波管上作电源兼顾了“栅极脉冲调制式行波管”和“连续波阳极控制行波管”两种类 型的管种。对不同管型的行波管进行可靠性测试和分析试验时，将电源设备置于相应的工作 模式，则可以提供两种电源输出体系。 电源设备提供了钛泵电源，管体电源， 收集极电源，阳极电源，栅极电源以及灯 丝电源和脉冲源，如图1 2 所示连接而成 ( 图中脉冲源未给出) 。进行行波管可靠性 测试试验时，不论被测管是脉冲波管还是 连续波管，钛泵电源，管体电源，灯丝电 源和收集极电源都是必需的，脉冲源电路 有两部分功能，一部分用于过流信号控制 和保护，也是必需的，另外一部分是专为 栅控脉冲行波管设计的脉冲源，与栅极电 图1 - 2 行波管各极电源连接图 源一起为栅控脉冲行波管提供一l 作电源，此时将电源设备置于“脉冲波”输出模式，阳极电 源不工作，通过调整脉冲源的脉冲输出和栅极电源电压从而改变栅控行波管的：i ：作状态。同 样，当铍测管为连续波陬】控行波管时，麻将电源设备置于“连续波”输出模式，此时栅极电 源不工作，通过调：例钔极电压从而改变连续波阿l 控行波管的j r = 作状态。 行波管j ：作电源设备的各极电源功能及技术参数如f 所述。 1 1 2 1 各极电源技术参数 1 钛泵电源：钛泵电源的指标要求为输出电压3 k v 4 k v ，连续可调稳压，输出电压 2 第一章绪论 可以从5 0 0 4 k v 连续可调，电压稳定度为5 v 。输出负载电流l m a ，电流测量灵敏度为 l u a 。 2 管体电源：管体电源是电源设备的主要电源，设计要求为：输出电压3 k u 1 5 k v ， 连续可调稳压，调节精度为1 0 v ，输出负载平均电流一 t 2 0 k v 。收集极电源输出电压为0 1 0 k v 连 续可调，输出平均电流2 0 0 m a ，在脉冲宽度5 u s 时，脉冲工作电流3 a 。 4 阳极电源：阳极电源是产生相对比阴极电位高的阳极电位的电源，其主要功能是激 励阴极发射电子，形成行波管的电子注电流，所以电源对地线的耐压要求2 0 k v 。阳极电 源输出电压为1 5 k v ，连续可调稳压，调：竹精度0 1 ，稳压精度为0 1 。 5 栅极电源：栅极电源是栅控类型行波管的专用电源。它是相对于行波管阴极栅 极之间的控制电源，所以也是悬浮在行波管阴极电位上，要求电源对地线的耐压要求 2 0 k v ，具有电压控制速度快，即电压上升、下降速率快等特点。 栅极电源中包括了调制电源，偏压电源和脉冲调制器，前两者电路完全一样，只是调制 电源是正端输出，负端接地( 这里的地为阴极k 点) ，而偏压电源是正端接地，负端输出。 调制电源输出电压范围为+ 1 5 0 v 一+ 5 4 0 v ，偏压电源输出电压范围为1 5 0 v 5 5 0 v ，设置精度 和稳压精度都为o 1 。脉冲调制器输出的脉冲用来切换输送到栅极g 的是调制电压还是偏 压电源，输出脉冲的前沿上升时间和后沿下降时间决定了开关管的开通速率和栅极g 对阴极 k 的分布电容，因此要求脉冲上升时间、下降速率越快越好。栅极电源自身的调制脉冲前后 沿0 1 u s 。 6 灯丝电源：灯丝电源的主要功能是为被测试的行波管提供阴极热源，给灯丝预热， 灯丝电源也是悬浮在阴极电位上，电源对地线的耐压要求 ，2 0 k v 。灯丝电源分为直流，交 流两种电源，实际上是两组直流电源，使用直流电源就是使用一组电源；若选用交流电源， 即为交替使用两组电源，交替频率a n 5 1 5 2 5 集成块调定，为5 0 h z 。两组电源输出电压范闱 都为0 1 2 v ，设置精度为0 1 v ，稳定度为1 ，允许灯丝电流为0 巧a 。 7 脉冲源：脉冲源有两部分，第一部分是以l m 7 4 1 电路为主的l b 过流保护电路，它 在栅控脉冲行波管试验电路和r 极控制连续波行波管试验电路中都起作用。第二部分是以 7 4 l s l 2 3 集成电路为土的脉冲产生和控制电路，是专为栅控脉冲行波管设计的脉冲源，脉冲 源既可调频也可调宽。为了保证本试验设备不产生超负荷试验而损坏设备，脉冲源产生的脉 冲必须在i ：作比3 的范同内，冈此设备中设定了脉冲凋宽时，把脉冲频率同定，调频时， 把脉冲宽度i 司定的单一调试方式。在脉冲源上由调宽凋频选择开关米选择。 3 东南人学硕t 学位论文 综上所述，行波管电源设备提供了7 组电源( 实际总共有1 0 路电源) ，在对不同管种的 行波管进行试验时，应对照不同的管种选择相应的电源工作模式并按照一定的顺序接通各路 电源。 1 1 2 2 电源系统控制与保护 行波管电源设备在很小的体积内提供了多达1 0 路的供电电压，其幅度有高有低，极性 有正有负，一旦系统发生异常，就会产生意想不到的后果，轻则影响行波管的正常工作，重 则烧毁管子，严重的可能会发生安全事故1 1 2 1 。因此，在电源设计时需要采取一定的控制保 护措施，这对于提高行波管的可靠性也是必不可少的。 1 管体电源的打火、放电过电流保护 管体电源在设备的工作中，实际负载电流是比较小的，一般3 5 m a 。在脉冲行波管试 验中，管体电源输出的是脉冲电流，一般1 a 。但在负载打火，电源放电电流极大，会达 到几百a 到上千a ，为保护电源设备和行波管不受强放电电流而损坏，要设法限制放电电 流，使该电流始终能够1 a 。为此，电源 设备在管体电源负端连接行波管阴极的通 路上接入了由7 5 w 1 5 k o 的人电阻与两个 l w 5 1 0 小电阻并联的过电流保护电路， 如图1 3 所示。 巩电源负端7 5 w 1 5 k阴极k 一 一一 1 w 5 1 01 w 5 1 q 图1 - 3 打火过流保护电路 在正常工作中，i b 电流0 2 a 的情况 下，工作电流都通过小电阻，而不会损坏小电阻。当l b 电流发生异常，i b 1 a 时，就立即损 坏小电阻，使小电阻支路开路，则人电阻1 5 k o 自动接入电路，异常的i b 电流流过大电阻， 产生极大的压降，从而阻断了i b 电流继续上升的可能，从而有效地保护了行波管，免受异 常放电大电流的轰击，而且u 。电源也不会受到异常放电电流的损坏。 一次强放电后，要更换损坏了的小电阻，才能恢复i ：作。 2 管体电流的过流保护 这部分功能主要是由脉冲源的第一部分电路完成的。电源设备管体电流设计的负载能力 为1 0 1 5 m a 。设备在正常一i ：作中，i b 电流量值是1 ，1 0 m a ，对丁一部分管子l b 电流是 t 4 5 v ，脉宽：5 u s 一3 0 u s ，频率：1 k 一6 k h z地 脉冲源 脉冲源过流信 幅度5 v地 号 2 2 取样电压信号调整与保护 从表2 - 1 可以看出，取样后的行波管电源信号基本达到了预期的电平范闱，但是仍有些 信号需要进行调整，如栅极偏压信号取样后为负而后续电路的处理对象为止信号，冈此需 9 东南大学硕士学位论文 要对其进行反向放大：另外由于钛泵电流很小，取样后信号仅为0 0 1 0 0 3 v ，属于微弱信号， 需要对其进行适当地放大。 在对信号进行调整之前，为了尽可能不影响取样电路的分压比，要求后续电路的输入阻 抗越大越好，为此，对每一路取样信号都采用了电压跟随器。电压跟随器是由运放构成的阻 抗变换器电路，它有极高的输入阻抗和较低的输出阻抗，输出电压与输入电压相等，相位相 同。 在进行运放的选型时，由于系统中处理的信号多为直流信号，有些信号还比较微弱 ( 一l o o m v ) ，因此主要考虑运放的直流指标参数。运放的直流指标有：输入失调电压、输 入失调电压的温度漂移( 简称输入失调电压温漂) 、输入偏置电流、输入失调电流、输入偏 置电流的温度漂移( 简称输入失调电流温漂) 、差模开环直流电压增益、共模抑制比、电源 电压抑制比、输出峰峰值电压、最人共模输入电压、最人差模输入电压。在综合考虑性能、 成本、功耗、体积的基础上，系统中选用了精密运放o p 0 7 。用o p 0 7 构成电压跟随器电路 及信号放大电路如图2 - 4 所示。 r i ： 图2 - 4 电压跟随及调整电路 在实际电路中，为了防止过流、打火时产生瞬态尖峰信号导致取样信号出现突变对后续 电路造成破坏，需要在取样电路中加入一定的保护电路，如图2 5 所示。另外，图中的二极 管还可以进行多个串联以达到实际的需要。 雹 锄 世 甾 图2 5 取样后保护电路 l o 第二章行波管监控系统硬件设计 2 3 信号的隔离与传输 行波管电源信号经过取样、调整后就需要进行信号的隔离与传输，由于取样后信号除了 大部分为直流电压信号外，栅极脉冲信号和脉冲源信号为脉冲信号，因此信号的隔离和传输 分为直流信号和脉冲信号两个部分。 2 3 1 直流信号的隔离与传输 经过取样、调整之后的行波管电源信号大部分仍是浮于阴极电位( - 5 1 5 k v ) 之上的 直流电压信号，其基准电位与数字部分电路的基准电位相差甚远，达上万伏。为了系统可靠 和操作人员的安全，高压侧信号与微机侧信号需要进行隔离，而且最好高压侧和微机侧能够 隔开一定的距离，我们准备将高压采样与微机处理部分分别放置在两个机柜中。为此，除了 需要对信号进行有效地隔离外，还需要对信号进行一定距离的传输【2 4l ，而既能实现信号的 隔离又能完成远距离信号传输的最好的方法就是使用电压一频率转换( v f c ) 传输法，如今压 频转换在通讯、仪器仪表、雷达、远距离传输等领域都已得到了广泛的应用1 2 5 1 。用v f c 进 行信号传输的原理框图如图撕所示。 图2 - 6 利用w c 传输和隔离模拟信号原理框图瞵1 v f c 是一种输出频率与输入信号成正比的电路。系统中对取样信号进行适当的范围调 整后即对其进行压频转换，然后通过光纤对频率进行传输，这样既达到了信号远距离传输的 目的，而且隔离的电压可以达到几千伏甚至上万伏，很适合用于行波管检测系统陋l 。 2 3 1 1 电压一频率转换( v f c ) 1 压频转换原理 下面首先简单介绍一下v f c 的原理。v f c 有两种常用类型：多谐振荡器式( 如a d 5 3 7 ) 和电荷平衡式( 如a d 6 5 0 ) 。图2 7 为这两种v f c 的内部电路结构： 拟出模输 东南人学硕上学位论文 ( _ ) 多谐振荡器式 - f c 蝓出 m s 方菠， b j电荷挈衡式v ，r 图2 7 两种常用类型v f c 内部结构电路刚2 5 j 多谐振荡器式v f c 把输入电压转换成电流，电流要对电容器进行充电，然后通过比较 器和触发电路对电容器放电。用稳定的基准设置切换阂值电压，具有单位传号空号比( m a r k s p a c er a t i o ，简称m s ) 的输出频率与输入信号成止比。 电荷平衡式v f c 由一个积分器、比较器和精密电荷源组成。将输入信号加到积分器充 电。当积分器输出电压达到比较器的阂值电压时，电荷源铍触发并且有固定的电荷从该积 分器中被迁移。电荷放电的速率一定与被施加的电压相一致，因此电荷源被触发的频率与积 分器的输入电压成正比。 多谐振荡器式v f c 简单、便宜、功耗低而且具有单位m s 输出( 与某些传输介质连接非 常方便) ，其缺点是精度低于电荷平衡式v f c ，而且不能对负输入信号积分。电荷平衡式v f c 比较精确，而且负输入信号也能对输出有贡献。它的缺点是对电源要求较高，具有低的输入 阻抗，其输出波形为脉冲串而不是单位m s 方波。 人多数精密v f c 中有三种误差：失调误差、增益误差和线性误差，而且它们都随温度 变化。对丁大多数的精密v f c 电路，其失调误差和增益误差都可由用户调整，但是线性误 差则不能调整。精密v f c 的线性误差与所用的关键电容器f 多谐振荡器式v f c 用的定时电 容器和电荷平衡式v f c 用的单稳定时电容器) 有关，电容器必须随温度变化保持稳定。另外， 如果电容器有介质吸收( 电容器被充电、放电，然后开路，此时电容器可能恢复一些电荷， 这种效应称作介质吸收d a ) ，那么v f c 也会产生线性误著并且使建立时间变坏，因此 应尽量选川聚四氟乙烯或聚丙烯电容器或者使j j 低d a 的零温度系数陶瓷电容器。当然，大 部分精密v f c 的线性误差在一般情况卜都是相当好的。 虽然电荷平衡式v f c 精度已经很高，但是它仍然依赖丁外部单稳定时电容器的性能， 冈此义出现了新的v f c 类型同步v f c ( s f v c ) 。同步v f c 是指线性度和稳定性都经 1 2 第二章行波管监控系统硬件设计 过改进的一种电荷平衡式v f c 。由外部时钟驱动的双稳电路取代了原来的单稳电路。精密 电流向积分器放电所用的同定时间等于外部时钟的一个时钟周期。为此，本系统中选择使用 的是美国a d i 公司研制生产的一款同步压频转换器a d 6 5 2 。 2 a d 6 5 2 基本原理和特点 a d 6 5 2 是a d i 公司推出的一款高线性度电荷平衡式转换芯片，是a d 6 5 0 的改进型， 其输出频率范围宽，最大可达到2 m h z ；线性误差在满频度输出为1 m h z 时最人为0 0 0 5 ， 2 m h z 时最大为0 0 2 。与其它转换器相比，a d 6 5 2 具有以下特点： 由于使用外部时钟设置满量程输出频率，a d 6 5 2 可以获得更高的线性度和稳定性。 通过使用同一时钟驱动a d 6 5 2 和设置计数时间闸门，转换精度与时钟频率无关， 不因时钟频率的改变而改变。 a d 6 5 2 在工作时所需的外围器件很少，仅需一个积分电容器和几个电阻即可。 a d 6 5 2 内部有一个由缓冲器输出的精密5 v 基准电压，可供外电路使用。 时钟输入与1 几、c m o s 兼容，输出级为宽范用的开路式集电极( o c ) 输出，可提 供足够的电流使t t l 、c m o s 、光电耦合器或脉冲变压器t 作。 在分散的模拟信号传输中，a d 6 5 2 也可被设置成同步频率电压转换器。 图2 8 所示为a d 6 5 2 的内部功能框图和转换波形图。它由积分器、比较器、精密电流 源、电流开关、与门、d 触发器、锁存器及集电极开路输出管等部分组成。 c - 。叼 一叼f 舞烹，j 鼍 广1i ；n w 1 ”一。 嚣f ，f - 一 “ 广下1 广1 图2 - 8a d 6 5 2 内部结构框图及转换波形图1 2 8 1 1 3 东南人学硕1 ：学位论文 开始时积分器先对输入电压进行积分，当积分器输出电压超过比较器的阈值电压，且与 门输出为高电平时，当一个时钟的下降沿来临，将使d 触发器的输出为高电平，这时时钟 为低电平，因此锁存器的状态不发生改变；当时钟变为高电平时，锁存器输出高电平，驱动 电流开关复位积分器，同时使与门输出变为低电平：当第二个时钟下降沿来临时，d 触发器 输出变为低电平。当时钟变为高电平后，锁存器输出低电平，驱动电流开关，使积分器重新 进入积分模式。同时使与门输出由比较器的输出电平决定。如此循环往复进行下去。 从图2 8 可以看出，输出脉冲信号的周期正好是时钟周期的整数倍。假设输入电压通过 输入电阻r m 产生的电流h 恰好为电流源的1 4 ( 即为0 2 5 m a ) 时，输出频率则相当于对 时钟频率的四倍分频，其中复位占了一个时钟周期，积分占了三个时钟周期。当输入电压有 微小变化导致l 有微小改变时，输出频率并不会立即变化，只是积分状态达到阈值的时间 会有小的变动，这个状态会一直持续直到一个周期的丢失( i l n 减小) 或者增加( i l n 增大) ， 冈此可以看出，除了电流源恰好为l 聃的整数倍使得输出频率为时钟频率的倍频时，其他状 态下的转换脉冲输出频率都是不稳定的，也可以说此时电压对应的转换脉冲频率是一平均频 率而不是瞬时频率。 3 用a d 6 5 2 构成压频转换电路的实现 系统中对a d 6 5 2 采用双电源供电、正信号输入的方式进行连接构成压频转换电路，如 图2 - 9 所示。a d 6 5 2 双电源供电范围为6 v 。_ 1 8 v ，系统中使用开关电源提供的_ 1 5 v 电源 对其供电。 - 一c 。叫 j 图2 9a d 6 5 2 构成的压频转换电路 刚这种方式构成的电路不仅符合了系统的要求，而且外接电路诈常简单，只需个积分 电容c 5 与一个上拉电阻r 1 。a d 6 5 2 臼带了一个2 0 k o 的高精密输入电阻r i n ，冈此设计时 并没有外加输入电阻而是直接使刚r i n 由丁最人输入电流为0 5 m a ，冈此输入电压范围为 0 1 0 v ，对本行波管监控系统米说已经足够。积分电容c 5 选刚人小为0 0 2 u f ，且交流特性 好、介质损耗小的电容，如聚丙烯、聚苯乙烯电容。上拉电阻r 1 的选择应考虑被驱动的逻 辑电路输入负载情况，选择较小电阻，使电路具有足够快的上升时间，般采用阻值为6 8 0 1 4 第二章行波管监控系统硬件设计 q 的电阻。这样连接的电路的输出频率与输入电压之间的关系如下： 而以；丝丝； n 卑f c l k v i n 半f c l k = 一一 r i n 宰l m a2 0 k 拳l m a1 02 可见，在r i n 、f c m 一定的情况下，f o 哦与v i 。呈线性关系，从而实现了从电压到频率的 转换。 2 3 1 2 频率信号的光纤传输 系统中经过压频转换后的频率信号通过光纤进行传输，由于采用光纤通信，解决了电磁 干扰、地环干扰和雷电破坏的难题，大大提高了数据通讯的可靠性、安全性和保密性，可广 泛用于各种工业控制、过程控制和交通控制等场合，特别适合电力及对电磁干扰环境有特殊 要求的部门和系统。而且用光纤传输信号可以隔离上万伏的高压，非常适用于行波管工作电 源监控系统。为此，需要进行电光转换将频率信号转换成光信号，通过光纤传输后再进行光 电转换还原成原来的频率信号，使用光收发模块是实现上述转换最好的选择。 光收发模块的产品问世已有好几年历史，它是实现光电、电光转换并具有独立发射驱动 和接收放大的光电系统，光收发模块具有体积小巧，功能完善，可靠性和标准化程度高等诸 多优点。自从1 9 9 9 年前后面世以来，光收发模块产品已经成为各类光通信系统接口部分的 核心光器件，对中低速率和中短距离传输系统中尤为如此田1 。 目前多数光收发模块的工作电平为p e c l 电平，p e c l 是由e c l 标准发展而来的，最早 由m o t o r o l a 公司提出，经过很长的一段时间才在电子工业界推广开。p e c l 信号摆幅较 小，因而更适合于高速数据的串行和并行迮接。但是由于系统中a d 6 5 2 输出的频率信号t t l 电平，因此若使用一般的光收发模块，则需要加上p e c l 与1 几电平的转换电路，这就使 得模块外同的电路比较臃肿，使用也不是很方便。冈此，需要直接工作在t r l 电平下的光 收发模块。但是由于t t l 信号特性的限制，使得j i ：作丁t t l 电平的模块的速率不能太高， 业内一般认为1 r r 几电平的模块最高速率为8 4 m ，只能适合低速的用途，但是这么高的速率 对于本系统来说，已经足够。因此，系统中选用了光纤光收发模块m w 2 2 5 1 进行频率信号 的传输，m w 2 2 5 1 是武汉迈威光电技术有限公司研制生产的t t l 电平接口的多模光收发模 块。其主要特点如下： 标准l x 9 管脚配置，输入输出接口与t t u c m o s ) q 三平兼容 极低功耗设计，满足特殊要求；j ：业级设计，全部表面l 贴装l ：艺保证了产品的长期 可靠性 光收发分体模块，传输速率从0 剑1 m b s ，传输距离人于1 0 k m 表2 2 为m w 2 2 5 1 各个管脚名称及其说明： 东南人学硕i - q ：位论文 表2 - 2m w 2 2 5 1 各个管脚名称及其说明 管脚管脚名称电平说明 1v e g r 接地 2r d t t l 接收数据输出 3n c空 4s dm 接收无光告警。上e 常为高电平，无光为低电平 5v c c r 接收止电源，一股为+ 5 v 6v c c t 发射止电源，一般为+ 5 v 7n c 空 8t dt t l 发射数据输入t t l 或c m o s 9v e e t 接地 由m w 2 2 5 1 构成的光收发电路简洁，且易与其他电路进行连接。其引脚及连接电路如 图2 1 0 所示。 k 莲嚣眦r ”毒= 酱眦l 卫燃 图2 1 0m w 2 2 5 1 引脚及连接电路 发送频率信号时，信号从8 脚输入，通过一根适当长度的光纤传送后，到达接收模块， 信号从2 脚输出，即完成了频率信号的传输。 2 3 1 3 频率一电压转换( f v c ) 经过光纤传输后，在低位数字板上由光接收模块输出的频率信号实际即为a d 6 5 2 压频 转换的频率信号，该频率信号与经过取样、调整后的行波管各极电源信号成i f l i , ，因此，若 将这些频率信号送入微处理器进行脉冲计数，也可间接得到各个电压信号人小，即完成了 a d 转换功能。那么，能否通过这种方式实现a d 采样昵? 首先，我们先来看一下由v f c 构成a d c 的原理。 1 v f c 构成a d c 原理 v f c ( a d 6 5 2 ) 式a d c 原理框图如 图2 - 1 1 所示：a d c 的分辨率是由时钟频 率和门控时间决定的，例如要求1 2 位分 1 6 图2 1 1v f c 式a d c 原理框图 至徽 处理 器 第二帝行波管监控系统硬件设计 辨率，选择时钟频率为2 m h z ，即a d 6 5 2 满度频率为1 m h z ，那么门控时间( 或转换时间) 瓦为：疋一( 鲁) 一一( 嘉) 一= ( 筹) 一“伽其中：为c 麟度频率， n 为给定分辨率的数字量，允为时钟频率。 利用v f 转换器实现a d 转换具有很多优点。首先，与基于二进制加权网络的转换器 不同，在不同的温度和电源环境下，其单调性是同定的。其次，由于信号被转换成连续的易 于传输的位流，所以模拟电路可以放在靠近数字源的地方，而数字电路可以放在其它地方， 这对多通道系统更加有利。最后，由于数字量的积累需要很多时钟周期，并要经过多次积分， 因此可以减小干扰信号的影响【矧。但是这种a d c 的缺点是转换速度较慢，属于双积分式 a d c 。例如a d 6 5 2 用4 m h z 时钟，最高输出2 m h z 频率，构成的1 2 位a d c 转换时间需2 m s ， 一共1 4 路信号则需2 8 m s ，对于本行波管监控系统来说是不适宜的( 2 9 1 。因此，为了满足系统 的需要，对光收发模块输出的频率信号进行了频压转换再通过多通道高速高精度a d c 专用 芯片实现模数转换完成信号采集功能。 2 频压转换( f v c ) 的实现 一般v f c 芯片都可以直接构成f v c 电路，因此系统中仍采用a d 6 5 2 实现频压转换。 用a d 6 5 2 实现频压转换的电路如图2 1 2 所示。 w 4 一= 图2 1 2a d 6 5 2 实现频压转换电路 电路中两个串连的二极管给电压比较器“+ ”端提供1 2 v 的参考电压，频率信号从比较 器- ”端输入，当在c l k 卜降沿时频率信号为低，则返放在紧随的c l k 上升沿进入积分 状态，输出电压增大，一个时钟周期后，运放义进入复位状态，输出电压减小，直到下次出 现在c l kt l 绛- 沿时频率信号为低，重复上述过程，频率信号冈此被转换成电压信号。 该电路的f v c 建立时间由指数时间常数r c 决定，由丁电阻r 使朋芯片内部的2 0 k o ， 冈此电压响应时间土要在于电容c 的选择，为了使缩短频率响戍时间，应尽量使用小电容 ( i n f ) ，但是为了减小输出电压信号的纹波，应使朋人电容( 1 u f ) ，综合考虑两者，电 1 7 东南大学硕l ：学位论文 路中选用大小为0 1 u f 的电容。 2 3 1 4 电路调试 电压信号在转换、频率信号的发送与接收、f v 转换等多次处理过程中，难免会产 生转换误差，为了得到该隔离传输电路的传输