(長(zhǎng)江大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

0 引言

磁控管是雷達(dá)發(fā)射機(jī)的重要組成部分之一，其工作時(shí)的性能指標(biāo)直接影響雷達(dá)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而影響軍隊(duì)的作戰(zhàn)效率[1]。兩種情況會(huì)影響磁控管的性能：1)新磁控管由于陰極沒(méi)有充分分解和激活，導(dǎo)致良好的發(fā)射表面不能形成；2)舊磁控管因?yàn)殚L(zhǎng)期未使用，電極中的殘余氣體被慢慢釋放，導(dǎo)致真空度慢慢降低。在這兩種情況下，陰極再施加高壓進(jìn)行工作，輕則會(huì)出現(xiàn)打火，造成磁控管的損壞，重則會(huì)出現(xiàn)一定的安全事故。因此，對(duì)于新磁控管和舊磁控管，必須在使用之前進(jìn)行“老煉”測(cè)試[2]。“老煉”是指接通磁控管燈絲電壓，使管子長(zhǎng)時(shí)間預(yù)熱，然后逐步加高壓，多次反復(fù)直到磁控管在額定工作電壓、電流下能穩(wěn)定地工作為止。老煉的目的是為了提高真空度、穩(wěn)定磁控管參數(shù)、提高磁控管工作的可靠性，同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)磁控管存在的問(wèn)題，以便及時(shí)解決[3]。正常工作的磁控管每幾個(gè)月就要加壓一次，因?yàn)殡S著磁控管工作，管體內(nèi)的殘留氣體引起電弧減少，會(huì)影響磁控管的使用[4]。因此，必須逐漸向陰極施加高壓來(lái)提高電極的溫度，直到氣體被電極完全吸收。在老煉其間需要嚴(yán)格控制燈絲電壓，不同時(shí)期生產(chǎn)的磁控管性能指數(shù)不一樣，磁控管輸出電流的數(shù)值范圍也不相同，這樣就需要雷達(dá)發(fā)射機(jī)老煉系統(tǒng)具有脈沖電壓可調(diào)、脈沖寬度可調(diào)、脈沖周期可調(diào)。基于Labview[5]以上要求本文介紹一種基于的雷達(dá)發(fā)射機(jī)磁控管老煉系統(tǒng)，通過(guò)采集卡數(shù)據(jù)采集、上位機(jī)顯示兩部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁控管老煉過(guò)程和磁控管性能數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析、處理、顯示和讀取，來(lái)判斷磁控管的狀態(tài)。

1 磁控管老煉系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

磁控管老煉系統(tǒng)根據(jù)不同的磁控管型號(hào)設(shè)計(jì)不同的程序，通過(guò)上位機(jī)選擇相應(yīng)的型號(hào)自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的程序，自動(dòng)完成老煉測(cè)試過(guò)程，并對(duì)其測(cè)試過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。

1.1 磁控管老煉系統(tǒng)的硬件組成和工作原理

磁控管老煉系統(tǒng)主要是工控機(jī)FLB96A2、PCI8211動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡、脈沖調(diào)制器、定向耦合器、功率計(jì)、頻譜分析儀、等效負(fù)載等組成，整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 磁控管老煉系統(tǒng)組成框圖

FLB96A2是一款多功能、高性能無(wú)風(fēng)扇嵌入式工控整機(jī)，帶有PCI插槽，支持64路模擬量輸入、數(shù)字量輸入、輸出各8路的PCI8211直接插入工控機(jī)，組成采集控制系統(tǒng)，它結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，抗沖擊，抗振，并能夠防止數(shù)據(jù)在移動(dòng)時(shí)丟失。

PCI8211支持多路AD異步數(shù)據(jù)采集，可實(shí)現(xiàn)64路單端采集或32路雙端采集，AD采集帶8 K字FIFO存儲(chǔ)器；同時(shí)該卡支持四路12位DA輸出，該卡還帶CNT定時(shí)/計(jì)數(shù)器功能，具有8路DI/DO功能，,直接插在FLB96A2工控機(jī)內(nèi)的任一PCI插槽中，構(gòu)成整個(gè)采集和控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，工控機(jī)直接調(diào)用PCI8211動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡數(shù)字量輸出DO0通道發(fā)出指令讓脈沖調(diào)制器輸出高壓脈沖，它被施加到磁控管的陰極以振蕩磁控管。在磁控管工作期間形成的磁控管電流信號(hào)經(jīng)調(diào)理后，由PCI8211模擬量采集通道AI0采集，然后輸入到工控機(jī)顯示，通過(guò)PID算法[6]調(diào)節(jié)電流信號(hào)，上位機(jī)再通過(guò)PCI8211數(shù)字量輸出DO0通道發(fā)出指令調(diào)節(jié)高壓脈沖，以達(dá)到脈沖高壓1～30 KV可調(diào)，脈沖周期1～400 Hz可調(diào)(步進(jìn)1 Hz)，脈沖寬度1～5 μs可調(diào)(步進(jìn)0.5 μs)，以適應(yīng)不同的磁控管老煉需求。系統(tǒng)工作時(shí)，過(guò)壓、故障信號(hào)、調(diào)制脈沖等信號(hào)，都通過(guò)PCI8211模擬量通道采集傳到工控機(jī)顯示，這樣就可以很直觀的自動(dòng)監(jiān)控整個(gè)老煉系統(tǒng)。

磁控管老煉系統(tǒng)分為兩部分，一部分是磁控管電氣性能測(cè)試，另一部分是磁控管射頻性能測(cè)試;電氣性能測(cè)試是對(duì)磁控管陰極通電，使磁控管工作，然后再通過(guò)射頻性能測(cè)試，來(lái)判斷磁控管性能是否正常，以對(duì)磁控管狀態(tài)進(jìn)行判定。

磁控管電氣性能測(cè)試主要通過(guò)PCI8211數(shù)字量通道控制脈沖調(diào)制器調(diào)節(jié)脈沖高壓，以及脈沖寬度、脈沖周期等參數(shù)。根據(jù)雷達(dá)發(fā)射機(jī)工作要求，按上位機(jī)預(yù)定程序完成對(duì)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的燈絲預(yù)熱、高壓通斷、故障指示以及功率控制和工作電流指示等功能。

射頻性能測(cè)試主要是對(duì)磁控管的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)耦合器輸出，用功率計(jì)和頻譜分析儀進(jìn)行功率測(cè)試和頻譜測(cè)試。判斷磁控管性能是否正常，從而對(duì)磁控管狀態(tài)進(jìn)行判斷。

1.2 脈沖調(diào)制器的設(shè)計(jì)

脈沖調(diào)制器的設(shè)計(jì)是該系統(tǒng)的重點(diǎn)之一，脈沖調(diào)制器主要由3部分組成：直流開(kāi)關(guān)電源部分、剛性調(diào)制部分、脈沖變壓器部分。直流開(kāi)關(guān)電源部分的作用是把初級(jí)電源(例如市電)變換成符合要求的0～3 500 V直流高壓；剛性調(diào)制部分是由IGBT模塊、控制模塊、電容模塊和預(yù)調(diào)模塊等組成，控制對(duì)負(fù)載(射頻發(fā)生器)放電，提供電壓、脈沖寬度及脈沖波形等都滿(mǎn)足要求的高壓脈沖；脈沖變壓器是把剛性調(diào)制脈沖高壓通過(guò)10變比變壓輸出，滿(mǎn)足磁控管要求的30 kV高壓脈沖。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 脈沖調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖

開(kāi)關(guān)電源部分主要將三相交流電經(jīng)共模濾波電路濾除共模干擾后，送至整流濾波電路將交流電變換成平滑的直流電，然后通過(guò)PWM逆變電路將直流電變換成20 kHz的雙極性交流電，高頻變壓整流濾波電路再將20 kHz的雙極性交流電變換成電壓在DC 0V～3 500 V范圍變化的平滑直流電輸出。

剛性調(diào)制部分主要IGBT模塊、控制模塊、儲(chǔ)能元件和預(yù)調(diào)模塊等組成，上位機(jī)PID算法處理過(guò)的電流信號(hào)通過(guò)控制模塊控制預(yù)調(diào)模塊進(jìn)行預(yù)調(diào)，然后用IGBT進(jìn)行斬波，生成可調(diào)的脈沖高壓。組成框圖如圖3虛線框內(nèi)所示。

圖3 剛性調(diào)制部分組成框圖

IGBT屬于場(chǎng)控型的器件，其柵極特性為容性，因此必須采用圖騰驅(qū)動(dòng)方式，其可以得到較好的前后沿。我們采用的IGBT需要結(jié)電容較大，又要求前后沿較好，所以必須采用較大驅(qū)動(dòng)電流的驅(qū)動(dòng)器M57962L。其可驅(qū)動(dòng)400 A的IGBT，可以得到較好的驅(qū)動(dòng)前后沿；定時(shí)控制電路采用光耦作為輸入，非常簡(jiǎn)單，可直接采用TTL電路進(jìn)行控制，輸入輸出的延時(shí)也較短，具有IGBT過(guò)流檢測(cè)和保護(hù)輸出功能[7]。

脈沖變壓器對(duì)從剛性調(diào)制部分輸出的低壓高功率調(diào)制脈沖執(zhí)行功率合成，并將其轉(zhuǎn)換為磁控管所需的脈沖幅度的高壓調(diào)制脈沖。采用超微晶軟磁鐵做變壓器鐵芯，把3 000 V的脈沖電壓通過(guò)10變比轉(zhuǎn)換為30 kV左右的脈沖高壓。

2 磁控管老煉系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于不同型號(hào)的雷達(dá)發(fā)射機(jī)磁控管老煉過(guò)程具有差異，因此不同的磁控管老煉程序也有稍有不同。在測(cè)試過(guò)程中，選擇要測(cè)試的磁控管，上位機(jī)自動(dòng)識(shí)別相應(yīng)的程序，配置好各參數(shù)，點(diǎn)擊開(kāi)始測(cè)試，自動(dòng)執(zhí)行老煉過(guò)程。不同的老煉程序都包含了主程序和子程序，主程序控制整個(gè)老煉過(guò)程，子程序是實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊的運(yùn)行，整個(gè)程序控制磁控管的工作狀態(tài)，并根據(jù)磁控管的電流和工作電壓等參數(shù)的變化，通過(guò)反饋控制施加到磁控管陰極的電壓，直至增加到正常工作電壓。

系統(tǒng)的軟件主要是上位機(jī)Labview程序。程序主要包括磁控管燈絲、高壓的開(kāi)、停控制子程序、故障顯示子程序、脈沖調(diào)制制子程序、磁控管選擇子程序、PID算法子程序、頻譜分析儀顯示子程序、自檢子程序等。軟件界面如圖4所示。

圖4 軟件測(cè)試界面

磁控管燈絲、高壓的開(kāi)、?？刂谱映绦蛘{(diào)用PCI8211數(shù)字量輸出DO1、DO2通道用來(lái)控制燈絲和高壓的通斷；故障顯示子程序用于在測(cè)試期間顯示故障信息；脈沖調(diào)制器子程序調(diào)用PCI8211數(shù)字量DO0通道用來(lái)調(diào)節(jié)脈沖輸出；磁控管選擇子程序是上位機(jī)用來(lái)根據(jù)雷達(dá)發(fā)射機(jī)磁控管型號(hào)選擇相應(yīng)的程序，對(duì)不同的磁控管進(jìn)行老煉；PID算法子程序是根據(jù)PCI8211模擬量輸入通道AI0采集的磁控管電流信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)控制脈沖調(diào)制器進(jìn)行輸出的程序，從而控制施加到磁控管陰極的電壓大小。由于每種磁控管型號(hào)所施加高壓不同，每種磁控管的PID算法是不同的；頻譜分析儀顯示子程序是通過(guò)PCI8211模擬量通道AI1把頻譜分析儀數(shù)據(jù)顯示在上位機(jī)上，方便直接觀察；自檢子程序用于檢測(cè)各支路、各器件是否正常。在子程序的設(shè)計(jì)中，要遵守單入單出的結(jié)構(gòu)化原則，避免子程序執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的等待，導(dǎo)致程序崩潰，而影響系統(tǒng)中其他程序的實(shí)時(shí)性，還在其中加入防干擾語(yǔ)句避免程序出現(xiàn)死循環(huán)。測(cè)試流程如圖5所示。

圖5 軟件測(cè)試流程圖

上位機(jī)采集卡的接口為L(zhǎng)abview中的函數(shù),DAQ助手函數(shù)通過(guò)配置通道數(shù)、采集信號(hào)類(lèi)型和模擬的輸出與輸出等來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與采集卡的連接，該系統(tǒng)中，主要配置各磁控管所需要的電壓或電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)它的老煉，還需要采集各反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試的自動(dòng)控制。

軟件采用結(jié)構(gòu)化編程，具有較好的模塊性和可擴(kuò)展性。軟件系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1)程序編程設(shè)計(jì)的模塊化：軟件程序設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)被測(cè)信號(hào)輸入和模擬信號(hào)輸入、輸出進(jìn)行詳細(xì)分類(lèi)，設(shè)計(jì)出I/O控制、模擬量輸出、數(shù)據(jù)采集和處理等函數(shù)功能模塊。這樣軟件程序結(jié)構(gòu)就比較簡(jiǎn)單、清晰，具有良好的易維護(hù)性和可讀性，對(duì)于程序的設(shè)計(jì)提供了便利。

2)容錯(cuò)和防錯(cuò)功能：容錯(cuò)是主要指對(duì)操作人員在使用軟件測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，如果出現(xiàn)誤操作導(dǎo)致的自鎖或者屏蔽功能。防錯(cuò)是指每測(cè)試完一個(gè)磁控管時(shí)，軟件自動(dòng)對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行初始化設(shè)置，保證上次的設(shè)置不對(duì)下次測(cè)試產(chǎn)生影響，對(duì)每個(gè)繼電器、A/D通道進(jìn)行復(fù)位，避免出現(xiàn)錯(cuò)測(cè)和短路現(xiàn)象，從而造成磁控管的損壞。

3)自檢功能：測(cè)試系統(tǒng)是不是能正常工作，直接影響到磁控管老煉設(shè)備的工作狀態(tài)。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定正常運(yùn)行，系統(tǒng)需要具備自檢測(cè)試功能，直接由軟件自檢測(cè)試程序來(lái)自動(dòng)完成診斷。

4)可擴(kuò)展性：軟件做稍微改變就可擴(kuò)展對(duì)其他系統(tǒng)及部件的自動(dòng)檢測(cè)。

3 與傳統(tǒng)雷達(dá)發(fā)射機(jī)老煉系統(tǒng)的比較

傳統(tǒng)雷達(dá)發(fā)射機(jī)使用軟性脈沖調(diào)制器，通過(guò)發(fā)射機(jī)高壓電源加至高壓脈沖調(diào)制器，經(jīng)充電變壓器、人工線、脈沖變壓器進(jìn)行直流諧振充電，充電電平受開(kāi)關(guān)的控制，人工線充電儲(chǔ)能后，脈沖調(diào)制器處于待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)觸發(fā)脈沖激勵(lì)預(yù)調(diào)器后，輸出滿(mǎn)足氫閘流管要求的開(kāi)關(guān)脈沖，閘流管導(dǎo)通，人工線上的能量經(jīng)閘流管和脈沖變壓器完全放出，并在脈沖變壓器升壓后，獲得符合磁控管要求的調(diào)制。隨著雷達(dá)發(fā)射機(jī)的功率越來(lái)越高，調(diào)制器的工作電壓和電流越來(lái)越高，傳統(tǒng)雷達(dá)發(fā)射機(jī)老煉系統(tǒng)中的軟性脈沖調(diào)制器已不能滿(mǎn)足要求。

該系統(tǒng)采用基于IGBT的剛性脈沖調(diào)制，運(yùn)用了新型開(kāi)關(guān)功率器件IGBT(絕緣柵雙極晶體管)作為為其開(kāi)關(guān)管以替代氫閘流管，脈沖高壓、脈沖周期、脈沖寬度通過(guò)IGBT直接調(diào)節(jié)。采用IGBT作為開(kāi)關(guān)的剛性脈沖調(diào)制器具有效率高，重量輕、體積小、可靠性高、易于模塊化設(shè)計(jì)，且不存在電子管的壽命問(wèn)題。高電壓、大電流已成為IGBT主要發(fā)展方向。高壓 IGBT的新結(jié)構(gòu)、新工藝，使它具有低的開(kāi)關(guān)損耗和低的通態(tài)壓降,且使其通態(tài)特性和關(guān)斷特性達(dá)到了最優(yōu)，這樣剛性脈沖調(diào)制器在雷達(dá)發(fā)射機(jī)磁控管老煉發(fā)揮更大的最用，與傳統(tǒng)雷達(dá)發(fā)射機(jī)老煉系統(tǒng)相比，性能得到了很大提高。

該系統(tǒng)采用全數(shù)控的操作模式，不需要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行老煉，只需要把磁控管放在磁控管底座上，就可以在上位機(jī)上進(jìn)行操作，并實(shí)時(shí)觀察老煉情況及系統(tǒng)各組件的工作情況，如果發(fā)生故障，上位機(jī)會(huì)發(fā)出故障顯示，采集的所有數(shù)據(jù)都可以通過(guò)Labview中的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)工具包模塊存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以隨時(shí)查看，LabSQL的使用使得所有的測(cè)試結(jié)果都可以交給專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，利用各種數(shù)據(jù)庫(kù)模塊的優(yōu)勢(shì)可以更加高效地獲取和處理數(shù)據(jù)，而且還能夠方便地將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到其他的數(shù)據(jù)處理工具中，如。而傳統(tǒng)雷達(dá)發(fā)射車(chē)?yán)蠠捪到y(tǒng)，需要去現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)各參數(shù)，以滿(mǎn)足老煉要求，手動(dòng)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)處于微波環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)具有一定的危險(xiǎn)性，本系統(tǒng)很好的解決了這些安全問(wèn)題。

4 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)比以下兩個(gè)界面可以看出，測(cè)試同一類(lèi)型的磁控管，設(shè)置一樣的參數(shù)，正常的磁控管測(cè)試出來(lái)的結(jié)果與真實(shí)情況基本一致，而有故障的磁控管則出現(xiàn)了較大的偏差，本系統(tǒng)可以真實(shí)的檢測(cè)出磁控管的工作狀態(tài)，來(lái)判斷雷達(dá)發(fā)射機(jī)磁控管的好壞，這樣可以減少了磁控管帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能很好的直觀顯示磁控管的工作狀態(tài)，故障信息可以顯示在界面上，操作人員能清楚的對(duì)磁控管的好壞進(jìn)行判斷，并對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)磁控管進(jìn)行更換，避免了由于磁控管狀態(tài)給發(fā)射機(jī)帶來(lái)的損失。

圖6 磁控管正常情況下測(cè)試結(jié)果

圖7 磁控管故障情況下測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

不同型號(hào)的雷達(dá)發(fā)射機(jī)磁控管已經(jīng)在上述方法設(shè)計(jì)的雷達(dá)發(fā)射機(jī)磁控管老煉系統(tǒng)中進(jìn)行了測(cè)試，效果非常好，完全可以滿(mǎn)足雷達(dá)發(fā)射機(jī)磁控管老煉的需求，與傳統(tǒng)老煉測(cè)試系統(tǒng)相比，具有一定通用性。本系統(tǒng)采用全數(shù)控的操縱模式，只需要安裝好磁控管，然后在上位機(jī)操作，設(shè)置老煉需要的參數(shù)，就可以進(jìn)行測(cè)試，提高了老煉測(cè)試效率和自動(dòng)化水平，大大降低了傳統(tǒng)磁控管老煉工作的強(qiáng)度，具有一定的實(shí)用性，對(duì)類(lèi)似微波功率電子管器件的老煉工作具有一定借鑒作用。