CN113572485B - 一种行波管调制器过脉宽保护电路 - Google Patents

一种行波管调制器过脉宽保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种行波管调制器过脉宽保护电路，包括与门、非门、高速比较器、电阻、电容、二极管；通过所述与门、非门完成调制脉冲与发射指令、故障信号的逻辑关联，脉冲前沿电平翻转时使用非门输出通过阻容积分，脉冲后沿电平翻转时阻容放电，当脉冲宽度超过设定值，阻容积分电路输出电平会超过高速比较器基准，送出过脉宽故障信号，过脉宽故障信号与发射指令相与，关断输出的调制信号，通过两个与门、一个非门、四只电阻、三只二极管、一只电容的简单电路组合实现了对行波管调制信号的过脉宽保护。本发明的行波管调制器过脉宽保护电路具有延时小、电路简单、可靠性高、体积小、成本低等特点。

Description

一种行波管调制器过脉宽保护电路
技术领域
本发明属于行波管高压电源技术领域，特别涉及一种行波管调制器过脉宽保护电路。
背景技术
脉冲工作模式的行波管因高效率、高峰值功率等优良特点常用于雷达发射机系统中。针对行波管脉冲工作时需要设定过脉宽保护，当脉冲工作的行波管工作脉宽超出其极限时会导致行波管失效。
常见的过脉宽保护一般是通过发射机通讯保护电路中的数字处理芯片对送入的调制信号进行采样处理，实现过脉宽保护。该电路的缺点是电路复杂、延时大，在行波管发射机的高压电源中，数字处理芯片要处理高压隔离和开关辐射干扰问题，需通过隔离驱动器等电路完成调制信号的输入输出，数字处理芯片对调制信号的处理延时较大，从脉宽前后沿检测、信号处理运算到I/O口输出有较长的时间间隔，在实际电路发生过脉宽故障时，往往难以有效的完成保护。另外，数字处理芯片内核电压较低，在高压环境中属于敏感电路，若隔离屏蔽措施处理不佳，在行波管发射机发生高压打火时较容易发生故障。
发明内容
本发明的目的在于提供一种延时小、电路简单、可靠性高、体积小、成本低的行波管调制器过脉宽保护电路。
实现本发明目的的技术解决方案是：一种行波管调制器过脉宽保护电路，包括第一与门、第二与门、第一电阻、电容、第一二极管、第二电阻、第三电阻、第二二极管、高速比较器、非门、第四电阻、第三二极管；
所述第一与门的第一输入端接调制信号IN，第一与门的第二输入端接第二与门的输出端，第一与门的输出端作为调制信号OUT送出给隔离驱动及灯丝调制器电路；第一电阻的第一端分别连接第三二极管的阴极、第一与门的输出端，第一电阻的第二端分别与电容的第一端、第二电阻的第一端、第三二极管的阳极及第一二极管的阳极相接；电容的第二端接地，第一二极管的阴极接外部的复位指令，第二电阻的第二端分别与第三电阻的第一端、高速比较器的同相输入端相接，高速比较器的反相输入端接基准电压REF，第三电阻的第二端与第二二极管的阴极相接，第二二极管的阳极分别与高速比较器的输出端、第四电阻的第一端、非门的输入端相接，并将相接后的作为过脉宽故障信号的输出端，将过脉宽故障信号发送至外部的高压控保电路；第四电阻的第二端连接电源VCC，非门的输出端和第二与门的第一输入端接，第二与门的第二输入端用于接收外部送入的发射指令。
进一步地，调制信号IN经过第一与门后，在脉冲开启时高电平通过第一电阻对电容充电，在脉冲关断时第一与门信号翻转为低电平通过第一电阻对电容放电，电容上的最高充电电压与脉冲宽度的关系为：
Figure BDA0003135017690000021
式中，Vt为电容上面的充电电压，VCC为第一与门的电源电压，R为第一电阻的阻值，C为电容的容值，t为脉冲宽度；
当脉冲宽度超过最大脉冲宽度保护阈值Tmax时，Vt超过基准电压REF，高速比较器输出翻转为高电平故障信号，高电平故障信号经过非门后变为低电平，低电平送入第二与门后，第二与门输出低电平送入第一与门，将第一与门送出的调制信号OUT关断截止，实现对过脉宽调制信号的保护。
进一步地，所述最大脉冲宽度保护阈值Tmax＝RC，R为第一电阻的阻值，C为电容的容值，脉冲宽度超过Tmax时电路进行过脉宽保护。
进一步地，所述高速比较器输出翻转为高电平后，通过第二二极管、第三电阻将高电平发送至高速比较器的同相输入端，完成过脉宽故障自锁。
进一步地，过脉宽故障自锁后，高速比较器的输出持续为高电平；高压控保电路复位指令到达时，复位低电平通过第一二极管将高速比较器的输出电平置低完成复位。
进一步地，所述第一与门为内部带施密特触发的与门或与非门非门组合，且所述第一与门、第二与门、非门为LS门电路；所述第一电阻为低温漂精密电阻，所述电容为NP0型陶瓷介质电容器。
一种具有行波管调制器过脉宽保护电路的发射机，包括脉宽检测保护电路、高压隔离驱动电路、灯丝调制器电路、高压控保电路、高压电源、行波管；
外部调制信号IN送入脉宽检测保护电路的第一输入端，高压控保电路的第一输出端将发射指令送入脉宽检测保护电路的第二输入端，脉宽检测保护电路的第一输出端送出过脉宽故障给高压控保电路的输入端，脉宽检测保护电路的第二输出端送出调制信号OUT，调制信号OUT送入高压隔离驱动电路的输入端，高压隔离驱动电路的输出端接灯丝调制器电路的第一输入端，高压控保电路的第二输出端将高压指令送给高压电源的输入端，高压电源的第一输出端将阴极电压送给灯丝调制器电路的第二输入端，高压电源的第二输出端将阳极电压送给行波管，高压电源的第三输出端将收集极电压送给行波管，高压电源的第四输出端将地送给行波管，灯丝调制器电路的第一输出端将阴极电压送给行波管，灯丝调制器电路的第二输出端将灯丝电压送给行波管，灯丝调制器电路的第三输出端将栅极送给行波管。
进一步地，当外部输入的调制信号IN脉冲宽度超过保护值时，脉宽检测保护电路的第一输出端送出的调制信号OUT被关断，调制信号OUT被关断后灯丝调制器电路的第三输出端栅极电压处于截止状态，行波管电子注被截止，实现脉冲级的过脉宽保护，同时脉宽检测保护电路的第二输出端送出过脉宽故障，过脉宽故障送入高压控保电路的第一输入端，接收到过脉宽故障后，高压控保电路的第二输出端高压指令关闭，高压电源206关掉高压输出，完成全过程过脉宽保护。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)延时小：通过一级高速比较器和两级LS门电路实现了过脉宽检测保护，可以在脉冲宽度超过设定值200ns以内关断脉冲输出；
(2)电路简单，可靠性高：通过两路双输入与门、一路非门、一路比较器、四只电阻、一只电容、三只二极管的简单电路组合实现了过脉宽保护，电路元器件少、电路简单、可靠性高；
(3)体积小、成本低：电路均为逻辑电平比较电路，功耗低，可选用表贴器件减小体积，元器件通用而且数量少，电路成本低。
附图说明
图1是本发明的行波管调制器过脉宽保护电路原理框图。
图2是本发明的行波管调制器过脉宽保护电路在发射机中的功能框图。
图3是本发明实施例的电路原理图。
具体实施方式
本发明一种行波管调制器过脉宽保护电路，包括第一与门1、第二与门2、第一电阻3、电容4、第一二极管5、第二电阻6、第三电阻7、第二二极管8、高速比较器9、非门10、第四电阻11、第三二极管12；
所述第一与门1的第一输入端接调制信号IN，第一与门1的第二输入端接第二与门2的输出端，第一与门1的输出端作为调制信号OUT送出给隔离驱动及灯丝调制器电路；第一电阻3的第一端分别连接第三二极管12的阴极、第一与门1的输出端，第一电阻3的第二端分别与电容4的第一端、第二电阻6的第一端、第三二极管12的阳极及第一二极管5的阳极相接；电容4的第二端接地，第一二极管5的阴极接外部的复位指令，第二电阻6的第二端分别与第三电阻7的第一端、高速比较器9的同相输入端相接，高速比较器9的反相输入端接基准电压REF，第三电阻7的第二端与第二二极管8的阴极相接，第二二极管8的阳极分别与高速比较器9的输出端、第四电阻11的第一端、非门10的输入端相接，并将相接后的作为过脉宽故障信号的输出端，将过脉宽故障信号发送至外部的高压控保电路；第四电阻11的第二端连接电源VCC，非门10的输出端和第二与门2的第一输入端接，第二与门2的第二输入端用于接收外部送入的发射指令。
进一步地，调制信号IN经过第一与门1后，在脉冲开启时高电平通过第一电阻3对电容4充电，在脉冲关断时第一与门1信号翻转为低电平通过第一电阻3对电容4放电，电容4上的最高充电电压与脉冲宽度的关系为：
Figure BDA0003135017690000041
式中，Vt为电容4上面的充电电压，VCC为第一与门1的电源电压，R为第一电阻3的阻值，C为电容4的容值，t为脉冲宽度；
当脉冲宽度超过最大脉冲宽度保护阈值Tmax时，Vt超过基准电压REF，高速比较器9输出翻转为高电平故障信号，高电平故障信号经过非门10后变为低电平，低电平送入第二与门2后，第二与门2输出低电平送入第一与门1，将第一与门1送出的调制信号OUT关断截止，实现对过脉宽调制信号的保护。
进一步地，所述最大脉冲宽度保护阈值Tmax＝RC，R为第一电阻3的阻值，C为电容4的容值，脉冲宽度超过Tmax时电路进行过脉宽保护。
进一步地，所述高速比较器9输出翻转为高电平后，通过第二二极管8、第三电阻7将高电平发送至高速比较器9的同相输入端，完成过脉宽故障自锁。
进一步地，过脉宽故障自锁后，高速比较器9的输出持续为高电平；高压控保电路复位指令到达时，复位低电平通过第一二极管5将高速比较器9的输出电平置低完成复位。
进一步地，所述第一与门1为内部带施密特触发的与门或与非门非门组合，且所述第一与门1、第二与门2、非门10为LS门电路；所述第一电阻3为低温漂精密电阻，所述电容4为NP0型陶瓷介质电容器。
一种具有行波管调制器过脉宽保护电路的发射机，包括脉宽检测保护电路201、高压隔离驱动电路202、灯丝调制器电路203、高压控保电路204、高压电源205、行波管206；
外部调制信号IN送入脉宽检测保护电路201的第一输入端，高压控保电路204的第一输出端将发射指令送入脉宽检测保护电路201的第二输入端，脉宽检测保护电路201的第一输出端送出过脉宽故障给高压控保电路204的输入端，脉宽检测保护电路201的第二输出端送出调制信号OUT，调制信号OUT送入高压隔离驱动电路202的输入端，高压隔离驱动电路202的输出端接灯丝调制器电路203的第一输入端，高压控保电路204的第二输出端将高压指令送给高压电源205的输入端，高压电源205的第一输出端将阴极电压送给灯丝调制器电路203的第二输入端，高压电源205的第二输出端将阳极电压送给行波管206，高压电源205的第三输出端将收集极电压送给行波管206，高压电源205的第四输出端将地送给行波管206，灯丝调制器电路203的第一输出端将阴极电压送给行波管206，灯丝调制器电路203的第二输出端将灯丝电压送给行波管206，灯丝调制器电路203的第三输出端将栅极送给行波管206。
进一步地，当外部输入的调制信号IN脉冲宽度超过保护值时，脉宽检测保护电路201的第一输出端送出的调制信号OUT被关断，调制信号OUT被关断后灯丝调制器电路203的第三输出端栅极电压处于截止状态，行波管206电子注被截止，实现脉冲级的过脉宽保护，同时脉宽检测保护电路201的第二输出端送出过脉宽故障，过脉宽故障送入高压控保电路204的第一输入端，接收到过脉宽故障后，高压控保电路204的第二输出端高压指令关闭，高压电源206关掉高压输出，完成全过程过脉宽保护。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例
如图1所示，本发明的行波管调制器过脉宽保护电路，包括：第一与门1、第二与门2、第一电阻3、电容4、第一二极管5、第二电阻6、第三电阻7、第二二极管8、高速比较器9、非门10、第四电阻11、第三二极管12；所述第一与门1的第一输入端接调制信号IN，第一与门1的第二输入端接第二与门2的输出端，第一与门1的输出端作为调制信号OUT送出给隔离驱动及灯丝调制器电路，第一电阻3第一端、第三二极管12的阴极接第一与门1的输出端，第一电阻3第二端与电容4的第一端、第二电阻6第一端、第三二极管12的阳极及第一二极管5的阳极相接，电容4第二端接地，第一二极管5的阴极接外部的复位指令，第二电阻6第二端与第三电阻7的第一端、高速比较器9的同相输入端相接，高速比较器9的反相输入端接基准电压REF，第三电阻7的第二端与第二二极管8的阴极相接，第二二极管8的阳极与高速比较器9的输出端、第四电阻11的第一端、非门10的输入端相接，并作为过脉宽故障信号送出给外部的高压控保电路，第四电阻11的第二端接电源VCC，非门10的输出端接第二与门2的第一输入端，外部送入发射指令接第二与门2的第二输入端。
所述调制信号IN经过第一与门1后在脉冲开启时高电平通过第一电阻3对电容4充电，在脉冲关断时第一与门1信号翻转为低电平通过3对电容4放电，电容4上的最高充电电压与脉冲宽度的关系为
Figure BDA0003135017690000061
Vt为电容4上面的充电电压，Vcc为第一与门1的电源电压，R为第一电阻3的阻值，C为电容4的容值，t为脉冲宽度；
当脉冲宽度超过设定值时，Vt超过基准电压REF，高速比较器9输出翻转为高电平故障信号，高电平故障信号经过非门10后变为低电平，低电平送入第二与门2后，第二与门2输出低电平送入第一与门1，将第一与门1送出的调制信号OUT关断截止，实现对过脉宽调制信号的保护。
所述脉宽保护值通过第一电阻3、电容4及电压基准REF完成调节。
所述第一电阻3为低温漂精密电阻。
所述电容4为NP0一类瓷介质电容器。
所述高速比较器9输出翻转为高电平后，输出通过第二二极管8、第三电阻7将高电平送给高速比较器9的同相输入端，完成故障自锁。
所述过脉宽故障自锁后电容4持续为高电平，高压控保电路复位指令到达时，复位低电平通过第一二极管5将电容4电平置低完成复位。
所述高速比较器9的输出端通过第四电阻11上拉至电源VCC。
所述第一与门1为内部带施密特触发的与门或与非门非门组合。
所述第一与门1、第二与门2、非门10为LS(Low power Schottky)门电路。
在调制信号占空比超过50％时，RC积分电路会累积电平，导致故障误报，因此，在所述与门(1)输出信号所接阻容积分电路的电阻(3)上反向并联了二极管(12)，加速放电，防止电平累积误报。
如图2所示，具有行波管调制器过脉宽保护电路的发射机中包括：脉宽检测保护电路201、高压隔离驱动电路202、灯丝调制器电路203、高压控保电路204、高压电源205、行波管(Traveling Wave Tube，TWT)206。
所述外部调制信号IN送入脉宽检测保护电路201的第一输入端，高压控保电路204的第一输出端将发射指令送入脉宽检测保护电路201第二输入端，脉宽检测保护电路201的第一输出端送出过脉宽故障给高压控保电路204的输入端，脉宽检测保护电路201的第二输出端送出调制信号OUT，调制信号OUT送入高压隔离驱动电路202的输入端，高压隔离驱动电路202的输出端接灯丝调制器电路203的第一输入端，高压控保电路204的第二输出端将高压指令送给高压电源205的输入端，高压电源205的第一输出端将阴极电压送给灯丝调制器电路203的第二输入端，高压电源205的第二输出端将阳极电压送给TWT206，高压电源205的第三输出端将收集极电压送给TWT206，高压电源205的第四输出端将地送给TWT206，灯丝调制器电路203的第一输出端将阴极电压送给TWT206，灯丝调制器电路203的第二输出端将灯丝电压送给TWT206，灯丝调制器电路203的第三输出端将栅极送给TWT206。
当外部输入的调制信号IN脉冲宽度超过保护值时，脉宽检测保护电路201第一输出端送出的调制信号OUT被关断，调制信号OUT被关断后灯丝调制电路203的第三输出端栅极电压处于截止状态，TWT206电子注被截止，实现脉冲级的过脉宽保护，同时脉宽检测保护电路201第二输出端送出过脉宽故障，过脉宽故障送入高压控保电路204的第一输入端，接收到过脉宽故障后，高压控保电路204的第二输出端高压指令关闭，高压电源206关掉高压输出，完成全过程过脉宽保护。
如图3所示，为本发明实例的电路原理图。实例电路中使用通用的军规54LS132与非门和54LS04非门的级联完成了逻辑电平的转换和电路逻辑判断，使用LM119完成高速比较，电路实例选用与非门和非门组合是为了方便与系统其他电路的元器件选型归一化，无特殊电路功能。
以本发明实例电路中的54LS04、54LS132、LM119为例，脉宽检测保护经过了一级LM119(响应速度80ns)，两级54LS04(一级响应15ns)、两级54LS132(一级响应30ns)，保护延时典型值为170nS。
以本发明电路实例进行计算，
典型的，最大脉宽设定为200uS，VCC为5V，R1为5.1kΩ(选用高精密薄膜芯片电阻器，温漂＜3ppm/℃)，电容C1为40nF(选用NP0材质，温漂＜30ppm/℃)。
比较器LM119的输入基准电压
Figure BDA0003135017690000081
Vref＝3.16V。
按该参数计算，
当脉宽为180uS时，C1两端电压为2.96V。
当脉宽为220uS时，C1两端电压为3.34V。
可以得出，在保护阈值附近脉宽电压分辨率约20mV/uS。
按照电路工作-55℃～70℃全温度范围进行电常数漂移计算，
以通用的TI、ADI公司电压基准为例，可以实现全温范围0.1％的电压漂移，高精密薄膜芯片电阻温漂＜3ppm/℃，所以忽略基准的漂移。
最恶劣情况下，电容值漂移30ppm×(55+70)＝0.375％，该参数导致脉宽保护值的漂移即0.375％，可以满足电路保护的使用需求。
本发明的行波管调制器过脉宽保护电路，将脉冲宽度通过阻容积分的形式转化为电压比较信号，再通过门电路的逻辑组合关联，实现了对行波管调制器过脉宽的电路保护，具有延时小、电路简单、可靠性高、体积小、成本低等特点。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种行波管调制器过脉宽保护电路，其特征在于，包括第一与门(1)、第二与门(2)、第一电阻(3)、电容(4)、第一二极管(5)、第二电阻(6)、第三电阻(7)、第二二极管(8)、高速比较器(9)、非门(10)、第四电阻(11)、第三二极管(12)；
所述第一与门(1)的第一输入端接调制信号IN，第一与门(1)的第二输入端接第二与门(2)的输出端，第一与门(1)的输出端作为调制信号OUT送出给隔离驱动及灯丝调制器电路；第一电阻(3)的第一端分别连接第三二极管(12)的阴极、第一与门(1)的输出端，第一电阻(3)的第二端分别与电容(4)的第一端、第二电阻(6)的第一端、第三二极管(12)的阳极及第一二极管(5)的阳极相接；电容(4)的第二端接地，第一二极管(5)的阴极接外部的复位指令，第二电阻(6)的第二端分别与第三电阻(7)的第一端、高速比较器(9)的同相输入端相接，高速比较器(9)的反相输入端接基准电压REF，第三电阻(7)的第二端与第二二极管(8)的阴极相接，第二二极管(8)的阳极分别与高速比较器(9)的输出端、第四电阻(11)的第一端、非门(10)的输入端相接，并将相接后的作为过脉宽故障信号的输出端，将过脉宽故障信号发送至外部的高压控保电路；第四电阻(11)的第二端连接电源VCC，非门(10)的输出端和第二与门(2)的第一输入端接，第二与门(2)的第二输入端用于接收外部送入的发射指令。
2.根据权利要求1所述的行波管调制器过脉宽保护电路，其特征在于，调制信号IN经过第一与门(1)后，在脉冲开启时高电平通过第一电阻(3)对电容(4)充电，在脉冲关断时第一与门(1)信号翻转为低电平通过第一电阻(3)对电容(4)放电，电容(4)上的最高充电电压与脉冲宽度的关系为：
Figure FDA0003135017680000011
式中，Vt为电容(4)上面的充电电压，VCC为第一与门(1)的电源电压，R为第一电阻(3)的阻值，C为电容(4)的容值，t为脉冲宽度；
当脉冲宽度超过最大脉冲宽度保护阈值Tmax时，Vt超过基准电压REF，高速比较器(9)输出翻转为高电平故障信号，高电平故障信号经过非门(10)后变为低电平，低电平送入第二与门(2)后，第二与门(2)输出低电平送入第一与门(1)，将第一与门(1)送出的调制信号OUT关断截止，实现对过脉宽调制信号的保护。
3.根据权利要求2所述的行波管调制器过脉宽保护电路，其特征在于，所述最大脉冲宽度保护阈值Tmax＝RC，R为第一电阻(3)的阻值，C为电容(4)的容值，脉冲宽度超过Tmax时电路进行过脉宽保护。
4.根据权利要求3所述的行波管调制器过脉宽保护电路，其特征在于，所述高速比较器(9)输出翻转为高电平后，通过第二二极管(8)、第三电阻(7)将高电平发送至高速比较器(9)的同相输入端，完成过脉宽故障自锁。
5.根据权利要求4所述的行波管调制器过脉宽保护电路，其特征在于，过脉宽故障自锁后，高速比较器(9)的输出持续为高电平；高压控保电路复位指令到达时，复位低电平通过第一二极管(5)将高速比较器(9)的输出电平置低完成复位。
6.根据权利要求1～5任一项所述的行波管调制器过脉宽保护电路，其特征在于，所述第一与门(1)为内部带施密特触发的与门或与非门非门组合，且所述第一与门(1)、第二与门(2)、非门(10)为LS门电路；所述第一电阻(3)为低温漂精密电阻，所述电容(4)为NP0型陶瓷介质电容器。
7.一种具有行波管调制器过脉宽保护电路的发射机，其特征在于，包括脉宽检测保护电路(201)、高压隔离驱动电路(202)、灯丝调制器电路(203)、高压控保电路(204)、高压电源(205)、行波管(206)；
外部调制信号IN送入脉宽检测保护电路(201)的第一输入端，高压控保电路(204)的第一输出端将发射指令送入脉宽检测保护电路(201)的第二输入端，脉宽检测保护电路(201)的第一输出端送出过脉宽故障给高压控保电路(204)的输入端，脉宽检测保护电路(201)的第二输出端送出调制信号OUT，调制信号OUT送入高压隔离驱动电路(202)的输入端，高压隔离驱动电路(202)的输出端接灯丝调制器电路(203)的第一输入端，高压控保电路(204)的第二输出端将高压指令送给高压电源(205)的输入端，高压电源(205)的第一输出端将阴极电压送给灯丝调制器电路(203)的第二输入端，高压电源(205)的第二输出端将阳极电压送给行波管(206)，高压电源(205)的第三输出端将收集极电压送给行波管(206)，高压电源(205)的第四输出端将地送给行波管(206)，灯丝调制器电路(203)的第一输出端将阴极电压送给行波管(206)，灯丝调制器电路(203)的第二输出端将灯丝电压送给行波管(206)，灯丝调制器电路(203)的第三输出端将栅极送给行波管(206)。
8.根据权利要求7所述的具有行波管调制器过脉宽保护电路的发射机，其特征在于，当外部输入的调制信号IN脉冲宽度超过保护值时，脉宽检测保护电路(201)的第一输出端送出的调制信号OUT被关断，调制信号OUT被关断后灯丝调制器电路(203)的第三输出端栅极电压处于截止状态，行波管(206)电子注被截止，实现脉冲级的过脉宽保护，同时脉宽检测保护电路(201)的第二输出端送出过脉宽故障，过脉宽故障送入高压控保电路(204)的第一输入端，接收到过脉宽故障后，高压控保电路(204)的第二输出端高压指令关闭，高压电源206关掉高压输出，完成全过程过脉宽保护。
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