新一代天氣雷達開關(guān)及觸發(fā)器組件快速檢修系統(tǒng)設計

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(1.海南省氣象探測中心，海口 570203; 2.成都信息工程大學，成都 610225)

0 引言

隨著我國新一代天氣雷達組網(wǎng)進一步完善，在未來氣象業(yè)務中，新一代天氣雷達將在短時臨近災害性天氣預報、預警業(yè)務中發(fā)揮著不可替代的重要作用。然而，做好新一代天氣雷達的業(yè)務保障工作顯得非常重要。前人已經(jīng)對天氣雷達業(yè)務保障工作做了許多有益的探索和總結(jié)。陳忠勇等人[1-3]對CINRAD/SA新一代天氣雷達充電開關(guān)控制板工作原理及應用維護，發(fā)射機放電觸發(fā)控制器的電路分析及維修，發(fā)射機后充電校平器工作原理及維修，做了一些總結(jié)。姜小云等人[4-7]對新一代天氣雷達數(shù)據(jù)傳輸與短信值機系統(tǒng)設計，基數(shù)據(jù)管理與個例整編系統(tǒng)設計，ASOM二次監(jiān)控平臺設計，新一代天氣雷達遠程故障診斷與應急維修應用等進行了研究。李勇等人[8]對新一代天氣雷達發(fā)射機速調(diào)管失效判斷進行了分析，吳少峰等人[9-10]對CINRAD/SA新一代天氣雷達發(fā)射機典型故障分析處理，雷達開關(guān)組件故障分析處理等做了分析和總結(jié)。所有上述工作都是在新一代天氣雷達在線通電的情況下進行操作的，這樣既不方便對發(fā)射機高電壓大電流等的組件和元器件進行快速判別其好壞，又不能有效保護人身和設備安全。本文針對這一問題進行了研究，提出了一套解決思路和方案，在新一代天氣雷達發(fā)射機開關(guān)組件或者觸發(fā)器組件發(fā)生故障后，根據(jù)新一代天氣雷達系統(tǒng)發(fā)出的各種報警信息初步定位故障點位于雷達系統(tǒng)開關(guān)或者觸發(fā)器組件，然后將雷達斷電關(guān)機，根據(jù)雷達系統(tǒng)設備工作原理，將開關(guān)或者觸發(fā)器組件電路板上關(guān)鍵常用芯片取下來利用本文研制的快速檢測系統(tǒng)進行脫機快速檢測，若芯片損壞，立即換上另一好的芯片。這樣就高效快捷的保障了新一代天氣雷達運行穩(wěn)定可靠，大大節(jié)省了新一代天氣雷達系統(tǒng)故障搶修的時間，并且有效保護了人身和設備安全。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 開關(guān)組件原理

如圖1所示，CINRAD/SA新一代天氣雷達發(fā)射機充電開關(guān)組件的DS26LS33芯片接收來自信號處理器的充電觸發(fā)信號，并經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換成CMOS電平，然后送到CD4098芯片，產(chǎn)生一定脈寬的充電脈沖觸發(fā)信號，該脈沖觸發(fā)信號又分寬窄兩種脈沖，其脈寬不一樣。一般窄脈沖是250微秒，寬脈沖充電脈寬為400微秒，但工作時并不是以最大脈寬進行充電，而是根據(jù)人工線電壓調(diào)節(jié)充電脈沖寬度，由發(fā)射機面板上的調(diào)節(jié)電壓和人工線反饋電流共同控制CD4098的輸出脈沖寬度。開關(guān)組件內(nèi)部的兩個IGBT模塊受控制板上EXB841的驅(qū)動控制，EXB841自帶過流保護功能。由于充電變壓器存在漏感，在賦能結(jié)束時，漏感中的儲能要通過回授二極管返回510伏直流電源中。

圖1 開關(guān)組件電路框圖

1.2 觸發(fā)器組件原理

CINRAD/SA天氣雷達系統(tǒng)的觸發(fā)器組件3A11是是發(fā)射機調(diào)制器的重要組成部件，它的主要功能是給調(diào)制器提供SCR放電脈沖觸發(fā)信號。如圖2所示，在新一代天氣雷達系統(tǒng)信號處理器發(fā)送來的放電觸發(fā)信號有效時，發(fā)射機發(fā)送觸發(fā)器使能信號，這時，觸發(fā)器開始工作。220 V交流電經(jīng)過觸發(fā)器內(nèi)部的變壓器變成180 V交流電送入到觸發(fā)器內(nèi)部的3A11A2電源板，再經(jīng)過整流濾波最后變?yōu)?200 V的直流電源，送入3A11A1觸發(fā)器控制板模塊從而受控產(chǎn)生-200 V的放電脈沖信號。同時，觸發(fā)器控制板對+200 V電源進行實時監(jiān)測，一旦+200 V電源欠壓，將產(chǎn)生+200 V電源欠壓故障報警信號上報發(fā)射機主控板，并且立即停止觸發(fā)器工作。觸發(fā)器還對調(diào)制器初級脈沖電流和反峰電流進行實時監(jiān)測，當該電流過流時，產(chǎn)生過流報警信號，上報發(fā)射機主控板，同時立即關(guān)閉觸發(fā)器工作。觸發(fā)器控制板中的DS26LS33芯片接收到來自信號處理器發(fā)出的觸發(fā)放電信號，后經(jīng)電平轉(zhuǎn)換芯片CD4504驅(qū)動IRF450場效應管。場效應管主要完成對200 V直流開關(guān)動作，從而產(chǎn)生負脈沖主要用來觸發(fā)調(diào)制器的SCR可控硅管(又稱晶閘管)。

圖2 觸發(fā)器組件電路框圖

1.3 開關(guān)及觸發(fā)器組件快速檢修系統(tǒng)

如圖3所示，該系統(tǒng)主要由電源模塊、脈沖發(fā)生器模塊、結(jié)果輸出模塊以及待測芯片外圍電路模塊組成。其中，電源模塊主要產(chǎn)生各種系統(tǒng)所需要的直流電源，如+15 V，-15 V，+5 V等。脈沖發(fā)生器模塊采用芯片SG1525產(chǎn)生，該芯片為一個脈寬調(diào)制器芯片，它也用在新一代天氣雷達的磁場、燈絲電源中，用于斬波器的寬度控制。結(jié)果輸出模塊主要是采用發(fā)光二極管電路直接指示，通過發(fā)光二極管閃爍來判定待測芯片的好壞。本系統(tǒng)可以檢測的芯片主要是新一代天氣雷達發(fā)射機中關(guān)鍵且容易損壞的芯片如開關(guān)組件中的差分接收芯片DS26LS33，比較器芯片LM111，脈寬定時芯片CD4098，光耦芯片TLP521，運算放大器芯片LM124，JK觸發(fā)器芯片CD4027以及某些邏輯門電路芯片等。其主要思路為通過脈沖信號輸入到各個待測芯片檢測電路模塊的輸入端，待測芯片檢測電路輸出同頻率的脈沖信號去驅(qū)動發(fā)光二極管電路模塊，根據(jù)發(fā)光二極管的閃爍與否從而判定待測芯片的好壞。

圖3 系統(tǒng)總體設計框圖

2 系統(tǒng)電路原理設計

2.1 CD4098單穩(wěn)態(tài)振蕩器芯片檢測

圖4 CD4098芯片檢測電路原理圖

如圖3所示，CD4098為一個雙組單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。該芯片也采用雙列16腳直插式封裝，其左邊第1腳到第7腳為一組單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，右邊第9腳到15腳為另一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。TR+和TR-為兩個正負觸發(fā)輸入端，R和C分別外接電阻和電容，用于決定脈沖輸出Q的寬度從而達到延時和定時的功能。本文中采用SG1525芯片的脈沖輸出驅(qū)動CD4098芯片輸入觸發(fā)端第5腳，脈沖寬度由R2和C6決定，計算公式為：T=0.7R2C6。脈沖周期與SG1525芯片輸入脈沖周期相同，因此輸出端同樣可以驅(qū)動發(fā)光二極管閃爍，從而通過發(fā)光二極管的閃爍與否來判定該CD4098芯片的好壞。

2.2 CD4027JK觸發(fā)器芯片檢測

CD4027芯片是JK觸發(fā)器芯片。它是數(shù)字電路中觸發(fā)器的一種基本常用電路單元。JK觸發(fā)器具有置0、置1、保持和翻轉(zhuǎn)功能。其真值表如表1。

表1 CD4027真值表

表1中，在異步置1和清零端無效時，當J和K都等于高電平時，其輸出結(jié)果將翻轉(zhuǎn)，那么根據(jù)這個功能特點，在其時鐘觸發(fā)輸入端輸入由SG1525芯片產(chǎn)生的脈沖信號，則在其輸出端第1腳即可得到一頻率減半的脈沖信號，然后把這個脈沖信號去驅(qū)動發(fā)光二極管電路，從而也可以根據(jù)發(fā)光二極管指示燈的閃爍與否來判定該CD4027JK觸發(fā)器芯片的好壞。圖5為該芯片的檢測電路原理圖。

圖5 CD4027芯片檢測電路原理圖(VDD接電源)

2.3 邏輯門電路芯片檢測

根據(jù)邏輯門電路的功能特點，這類芯片的檢測比其他芯片更簡單，因此這里不給出具體的電路原理圖。比如，非門邏輯芯片實際是個反相器，在其輸入端輸入脈沖信號，那么在其輸出端也應為一反相的脈沖信號，兩者脈沖周期一樣，所以同樣可以驅(qū)動發(fā)光二極管閃爍，從而據(jù)此判定這類芯片的好壞。又如與門邏輯芯片，不管輸入引腳有多少個，只要把其中一個輸入引腳接入一脈沖信號，其它輸入引腳接高電平，那么其輸出也為與輸入同樣的脈沖信號，因此也可以驅(qū)動發(fā)光二極管指示燈閃爍，從而也可據(jù)此判定該與門邏輯電路芯片的好壞。其他各種邏輯門電路的檢測方法和思路都與上述兩種邏輯門電路芯片相類似，這里不一一列舉。

2.4 差分收發(fā)與光耦芯片檢測

為了抵抗各種電子干擾，新一代天氣雷達系統(tǒng)中大量使用了差分發(fā)送芯片DS26LS31和差分接收芯片DS26LS33以及光電隔離耦合芯片TLP521等，這樣大大提高了新一代天氣雷達系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。然而，如果這些差分收發(fā)芯片和光耦芯片出現(xiàn)故障，那么雷達系統(tǒng)也將因此發(fā)生故障。

這些芯片的檢測方法仍然可以使用上述脈沖信號來驅(qū)動輸入端，從而在其輸出端得到以類似的脈沖信號來驅(qū)動發(fā)光二極管電路，使得發(fā)光二極管閃爍。對于光耦芯片TLP521，根據(jù)其引腳特點，在其第1腳和第3腳接系統(tǒng)電源(+15 V)，第2腳串接一個合適的電阻再輸入脈沖信號，其第4腳驅(qū)動發(fā)光二極管電路，根據(jù)二極管的閃爍與否可以判定該光耦芯片是否損壞。

差分發(fā)送芯片DS26LS31有4組獨立的差分發(fā)送電路模塊，比如其中一組：在其第1腳輸入信號，在其第2腳和第3腳得到幅度減半，反相的兩路輸出信號，從而使得信號由原先的一根線變成兩根線傳輸。那么根據(jù)這個特性，在差分發(fā)送芯片的第1腳輸入上述產(chǎn)生的脈沖信號，則在其第2腳或第3腳可以得到一脈沖信號從而去驅(qū)動發(fā)光二極管電路，根據(jù)發(fā)光二極管是否閃爍來判定該差分發(fā)送芯片是否損壞。

差分接收芯片DS26LS33同樣有4組獨立的差分接收電路模塊，比如其中的一組：第1腳和第2腳為雙線接收端，第3腳為單線輸出端，從而將差分信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娖叫盘?。同樣，根?jù)其特點，可以設計由上述SG1525芯片產(chǎn)生的脈沖信號輸入到差分發(fā)送芯片DS26LS31，再將其輸出的兩路差分信號輸入到差分接收芯片DS26LS33的第1腳和第2腳，同時在第1腳和第2腳并接一個120歐姆的終端電阻，那么在其第3腳則可以得到與輸入端同樣的脈沖信號，然后去驅(qū)動發(fā)光二極管電路，從而根據(jù)發(fā)光二極管的閃爍來判定該差分接收芯片DS26LS33的好壞。

2.5 集成運放與比較器芯片檢測

新一代天氣雷達系統(tǒng)中大量使用了集成運算放大器芯片和比較器芯片。其中比較器芯片主要用于各種電壓電流等參數(shù)的閾值門限的比較和報警監(jiān)控，集成運算放大器芯片主要用于信號的放大，跟隨器和電流、電壓指針表頭的比例放大等。如圖5所示，LM111為一比較器芯片，第2腳為同相輸入端，第3腳為反相輸入端，第7腳為比較器輸出端。在其輸出端接入一個合適的上拉電阻，當同相輸入端電平高于反相輸入端時，輸出結(jié)果為高電平。反之，輸出結(jié)果為低電平。因此，根據(jù)這個功能特點，可以在反相輸入端接入一個固定電壓(比如+1伏特)，在同相輸入端輸入一個幅度大于+1伏特的脈沖信號(由上述SG1525芯片產(chǎn)生)，則在比較器輸出端也得到一脈沖信號，將此脈沖信號去驅(qū)動發(fā)光二極管電路，同樣可以根據(jù)發(fā)光二極管指示燈的閃爍與否來判定該比較器芯片的好壞。圖6為LM111芯片的輸入和輸出仿真波形。

圖6 LM111比較器芯片檢測電路原理圖

如圖7所示，LM158芯片為一個雙組獨立的集成運算放大器，其中一組的第5腳為同相輸入端，第6腳為反響輸入端，第7腳則為輸出端。根據(jù)集成運算放大器的功能特點，可以把它接成簡單的跟隨器，也就是將輸出端直接反饋到反相輸入端，然后在其同相輸入端輸入上述SG1525芯片產(chǎn)生的脈沖信號，從而在其輸出端得到同樣的脈沖信號，最后輸出驅(qū)動發(fā)光二極管電路，使得發(fā)光二極管指示燈閃爍，所以可以根據(jù)發(fā)光二極管的閃爍與否來判定該集成運算放大器芯片的好壞。

圖7 LM111比較器芯片檢測電路輸入和輸出波形(上面波形為輸出，下面為輸入)

3 系統(tǒng)應用實例

3.1 ?？谛乱淮鞖饫走_無回波

根據(jù)省氣象臺預報業(yè)務人員反饋海口新一代天氣雷達產(chǎn)品無回波(當天有小雨)，海口雷達保障業(yè)務人員檢查發(fā)現(xiàn)天氣雷達系統(tǒng)無報警，發(fā)射機控制面板也沒有任何報警，但充電人工線電壓表頭指示為0。首先懷疑3A10充電開關(guān)組件故障，根據(jù)3A10的工作原理，先把發(fā)射機控制面板的高壓、輔助供電等電源開關(guān)拉下，斷開發(fā)射機電源。從發(fā)射機柜拉出3A10組件，拆開其前蓋板，首先取出充電觸發(fā)信號接收芯片DS26LS33，利用上述芯片自動檢測系統(tǒng)快速檢測該芯片，發(fā)現(xiàn)該芯片沒能使得發(fā)光二極管指示燈閃爍，說明此芯片已損壞。換上另一個好的DS26Ls33芯片，并蓋上前面板，推入3A10組件到發(fā)射機柜，合上發(fā)射機控制面板上的輔助電源開關(guān)、高壓開關(guān)等待發(fā)射機預熱。預熱完畢，雷達開機運行，發(fā)現(xiàn)人工線電壓恢復到正常水平(4600伏特)，RDASC運行監(jiān)控軟件平臺的RTW軟件界面已經(jīng)出現(xiàn)小雨回波圖。至此，整個雷達搶修過程結(jié)束，花費時間不到10分鐘。

原因分析；發(fā)射機3A10開關(guān)組件正常工作受兩個信號控制，其一是發(fā)射機發(fā)出的使能信號，其二是信號處理器發(fā)出的充電觸發(fā)信號。當這兩個信號都正常時，3A10組件才開始工作。因此，首先取出充電觸發(fā)差分接收芯片DS26LS33，判定其好壞。由于該芯片的損壞，造成發(fā)射機3A10組件不工作，所以發(fā)射機沒有高壓產(chǎn)生，也就沒有速調(diào)管功率輸出，那么也就接收不到氣象目標回波。

3.2 東方新一代天氣雷達觸發(fā)器故障

東方天氣雷達有次報發(fā)射機充電過壓故障告警，懷疑高壓部分故障。首先斷開開關(guān)組件和下級組件調(diào)制器之間的連接電纜E1，再通電測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)射機控制面板上無報警，那么確定開關(guān)組件無故障。然后懷疑觸發(fā)器組件有問題，那么，首先開啟新一代天氣雷達測試程序RDASOT，選測脈沖模式，給發(fā)射機接通低壓，用示波器檢測觸發(fā)器組件的ZP2和ZP3測試點波形，結(jié)果波形不正常(正常為負脈沖)，然后在5A16信號轉(zhuǎn)接盒內(nèi)檢查，結(jié)果能測出波形，則可能是觸發(fā)器組件內(nèi)部DS26LS33芯片損壞。取出觸發(fā)器內(nèi)的DS26LS33芯片，用本文提出的快速檢修系統(tǒng)檢測該芯片的好壞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該芯片已經(jīng)損壞，立即換上一塊好的芯片，觸發(fā)器故障立即得到排除，雷達正常開機運行。

原因分析；可能是觸發(fā)器沒有在指定時間內(nèi)觸發(fā)放電，從而引起高壓告警，因為調(diào)制器內(nèi)的可控硅不能觸發(fā)導通，因而人工線能量不能及時泄放，導致第二次充電能量疊加，從而引起充電過壓等告警。

4 結(jié)論與討論

1)新一代天氣雷達觀測系統(tǒng)組網(wǎng)建設已趨于完善，為短時臨近天氣預報、災害性天氣監(jiān)測、人工影響天氣等業(yè)務和科研工作發(fā)揮了不可替代的重要作用，同時，人們對現(xiàn)代氣象業(yè)務的需求越來越高，這就使得天氣預報對新一代天氣雷達觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、準確性和時效性等保障業(yè)務的要求越來越高。

2)為了更快捷、高效、安全地維修新一代天氣雷達，本文提出了一種新一代天氣雷達開關(guān)和觸發(fā)器組件關(guān)鍵芯片自動快速檢測系統(tǒng)。該自動檢測系統(tǒng)采用了機外脫機測試方法從而保證了雷達設備和人身的安全。該自動檢測系統(tǒng)采用了發(fā)光二極管指示燈自動輸出測試結(jié)果的測試方式，保證了雷達修復的較短時效。該自動檢測系統(tǒng)直接測試組件內(nèi)部電路板常用關(guān)鍵芯片，而不是更換整個笨重的分機

組件備件，從而使得維修新一代天氣雷達故障變得便捷高效，即使是非專業(yè)的機務保障人員也能快速維修新一代天氣雷達設備故障。

3)本文提出的新一代天氣雷達開關(guān)和觸發(fā)器組件快速檢修系統(tǒng)研制完成后在海南省多個臺站得到了應用，根據(jù)其實際應用實例，結(jié)果表明其效果良好，可以為全國其他新一代天氣雷達站快速維修新一代天氣雷達提供一定的借鑒和參考。