雷達發射機數據采集模塊設計

摘要：本文給出了由PC104工控機與AD7864為核心構成的雷達發射機數據采集模塊的設計方案。介紹了數據采集和轉換的詳細工作過程。

關鍵詞：AD7864；PC104工控機；數據采集；雷達發射機

引言

柵控行波管放大器以其高增益、高功率輸出、相對低造價的特點，在雷達發射機中被廣泛采用。由于它工作在高壓、高功率、脈沖狀態，必須對其各級工作電壓、電流進行實時精確的監測，以確保其穩定工作。

在對行波管工作參數進行測量時，需要同時采集多路信號，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。在這個過程中，多路信號同時采樣對發射機監控系統的判定準確性有著很重要的意義。

一般的A/D轉換器內部只有一個采樣保持器，著要實現多路同時采樣，或者使用多個A/D轉換器，或者加額外的采樣保持器。AD7864可以適應這個需求，它是4通道同時采樣、順序轉換的高精度A/D轉換器，其高速并行輸出接口可與PC104工控機總線直接相連，PC104響應其轉換結束中斷取數，由此方案實現對多路行波管工作參數的精確測量，具有精度高，電路結構簡單，系統功耗低的特點。AD7864

AD7864是美國ADI公司生產的一款高精度、高采樣頻率、低功耗的信號采集芯片，分辨率為12位，可實現4通道同時采樣。AD7846的轉換時間為1.65us/CH，采樣保持時間為0.35us，單通道最高采樣頻率為500kSPS。若四通道同時采樣，每通道最高采樣頻率可達130kSPS。信號輸出采用12位高速并行數據輸出接口，不需要電平轉換等處理，可直接連接MCU。通道選擇可以通過硬件或軟件實現。數據轉換和讀取可以選用內部時鐘模式或外部時鐘模式。

AD7864通過引腳/INT/EXTCLK來選擇工作在內部時鐘模式還是外部時鐘模式。內部時鐘模式可最優化AD7864的特性，轉換時間為1.65us，采樣頻率可達到最高。而外部時鐘模式的最高時鐘頻率是5MHz，轉換時間為2.6us。

AD7864可以選擇VINl到VIN4這4個通道的任意子集來進行數據轉換，被選擇的通道按升序排列進行轉換。通道選擇可以通過硬件通道選擇引腳(SLl到SL4)或可編程通道選擇寄存器來實現。

處理器讀取AD7864轉換后的數據有兩種方法：轉換中讀取和轉換后讀取。前者是在下一個通道轉換完之前讀取前一個通道的數據。后者則是在所有通道都轉換完讀取數據。

轉換中讀取數據芯片可以達到最高的數據吞吐率。其具體工作過程如下：一次轉換從轉換起始信號/CONVST的上升沿開始，4個采樣保持器同時處于保持狀態，1.6us后，得到轉換順序中第一個通道的數據，每個通道的轉換次轉換的結束。BUSY輸出信號表示所有選擇通道轉換都完成。每次/EOC信號變成低電平，執行一次讀操作。

轉換后讀取數據的具體工作過程如下：在轉換起始信號/CONVST上升沿，4個采樣保持器進入保持狀態，開始對選擇的通道采樣。同時，BUSY輸出信號被觸發為高電平，并在轉換過程中一直保持為高，當全部通道轉換結束后，才變為低電平。/EOC信號在每一個通道轉換結束時均有效。全部通道轉換后的數據保存在AD7864內部相應的鎖存器中。全部通道轉換結束后，當片選信號和讀信號有效時，就可以按照轉換順序從數據總線上并行讀取數據。發射機數據采集模塊硬件設計

發射機數據采集模塊以PC/104工控機為核心，由PC/104工控機、AD7864信號采集芯片、接口邏輯電路、數據采集輸入電路等電路組成。完成對發射機行波管燈絲電流、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時采集，共采用三片AD7864同步采樣和轉換。

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，信號脈寬最窄為0.4us，十路信號還必須同時采樣。按通常的設計，對0.4us的脈沖采樣必須采用采樣頻率大于10MSPS的高速A/D才能真實還原脈沖的信息。這樣會帶來很大的數據處理量，而實際上我們只關心脈沖期間的數據，脈沖間歇期的數據對我們來說是無用的。而且高速A/D的輸入信號基本都在±2.5V以內，在發射機這種高壓、高功率、大電流的工作環境里，信號很容易受到干擾，很難實現對信號的精確采樣。

采用AD7864就可很好的解決上述矛盾，將發射機定時器產生的采樣脈沖同時加到三個AD7864的/CONVST端，將十路信號同時保持順序轉換，十路信號全部轉換結束后再由PC/104工控機控制將十組數據順序讀出。

為了將數據采集模塊和發射機的高壓、高功率、大電流工作環境進行有效的隔離、簡化數據采集模塊的電路設計，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定在±5V以內。這樣可省去十路信號調理電路，并且確保高、低壓回路的電氣隔離，提高了數據采集模塊的工作可靠性。

數據采集模塊硬件如圖1所示。圖中A1為FC/104工控機，D1為接口邏輯電路。D1采用Lattice公司的高性能CPLD-lspl048E實現，完成地址譯碼、取數中斷信號產生、轉換起始信號/CONVST產生等功能。

三個AD7864均采用內部時鐘模式，/INT/EXT CLK置低電平；采用硬件通道選擇，/WR、SLl-SL4置高電平，/H/S SEL置低電平；通道信號輸入范圍定為±5V，VIN^XA和VlN^XB短聯；數據讀出采用轉換后讀取數據模式，待十路信號全部轉換完成后觸發PC/104工控機外部中斷，將數據順序讀出。

數據采集和轉換的工作過程如下：

1.接口邏輯電路D1根據發射機的工作狀態產生轉換起始信號/CONVST加到三個A/D上，三個A/D同時對十路信號采樣保持并按預定順序開始轉換，此時三個BUSY信號均保持高電平。

2.十路信號全部轉換完成后，三個BUSY信號由高電平變為低電平，十路數據全部鎖存在AD7864的內部鎖存器里。接口邏輯電路將三個BUSY信號處理后在最后一個BUSY信號的下降沿產生中斷請求信號，觸發PC/104工控機的外部中斷。

3.PC/104工控機響應中斷后，按約定的地址控制接口邏輯電路，將相應的片選信號/CS和讀使能信號/RD同時設置為低電平。PC/104工控機在每個約定地址順序進行四次讀操作，將十路數據順序讀出。

結語

基于AD7864和PC/104工控機的發射機數據采集模塊已成功應用到某雷達發射機中，解決了發射機十路信號同步采樣的問題，實現了對發射機核心器件一行波管工作參數的實時精確監測，提高了故障保護速度。