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FM控制系统
控制系统
各位领导和同志:
大家好!
我叫周承辉,来自昆嵛山转播台。
我讲的是控制系统,虽然做了充分的准备,但是由于我自己个人水平有限,控制系统集成电路多,难免有不恰当的地方,希望大家指出来。
我来的目的就是抛砖引玉,大家共同研究,使我们对哈里斯发射机有更深的了解,业务更上一层楼。
一、控制系统总述
控制系统是一个基于主从系统的微控制器,它检测发射机中的一百多个运行功能,并且能够根据运行条件做出智能运行判断。
控制系统具有一个标准远程控制接口和RS232接口(可外接计算机控制)。
微处理器控制系统能够完成一个简单逻辑控制器无法完成的功能,它能快速有效地监测整个发射机并提供一定的保护和诊断。
同时它也能进行固件的改变和升级。
控制器由下面的板子组成:
主控制器板(MasterControllerBoard 843-5471-131):
主控制器响应初始发射机控制,并对所有收集的信息进行综合处理。
它控制和接收来自于功率放大器,电源控制器和支持板的信息,并且对发射机的运行条件发挥合适的作用,它也响应发射机功率控制、系统配置、校准和发射机的前面板上的诊断显示。
功放控制器#1(PAController#1 843-5471-121)
功放控制器#2(PAController#2 843-5471-121)
功放控制器#3(PAController#3 843-5471-121)
功放控制器#4(PAController#4 843-5471-121):
功放控制器向主控制器提供信息,但独立运行(即主控制器失效仍可运行)。
Z10CD一个功放控制器控制8个功放,Z3.5CD一个功放控制器控制6个功放。
电源控制器#1(PowerSupplyController#1 843-5471-171)
电源控制器#2(PowerSupplyController#2 843-5471-171):
Z3.5CD有一个电源控制器。
生命支持板(LifeSupportBoard 843-5471-211):
生命支持板基本上起主控制器和发射机之间各部位的连接作用。
在主控制器有问题后,生命支持板有与或门断开所有来自主控制器的信号,使发射机工作在低功率(Z10CD是2.5KW,Z3.5是900W)运行。
显示/底板(主板)(Display/BackplaneBoard(motherboard) 843-5471-191):
如同计算机中的主板,各控制板连线都通过它。
所有这些控制板都位于发射机控制面板后,并插到主板上。
上面全部的组件称作“系统控制器”。
控制器的功能如下:
A发射机控制功能
B自动功率控制(APC)
C电压驻波比监测和过载保护
D电源监测和保护
E功放监测和保护
F在电压驻波比过大、过温和过流的状态,自动降低功率运行
G交流重启
H系统校准与配置
I详细的状态,计量,配置和故障诊断显示屏幕
二、主要控制功能详述
1、正常模式与生命支持模式(MC1453B)
生命支持板上除了有简单的与、或、非门集成电路还有一个重要的集成电路MC1453B。
之所以重要,是因为开机过程中要用到MC1453B,生命支持板检测主控制器是否有效决定是处于正常模式与还是生命支持模式等等。
MC1453B是一个有两个可重触发单稳多谐振荡器。
它可以受输入脉冲任何一沿触发,输出宽范围、高精度的脉冲。
输出脉冲的宽度和精度由外接电阻Rx和电容Cx决定。
脉冲宽度=(Rx)*(Cx)
脉冲宽度范围是10μs到10s,推荐脉冲宽度是100μs到1s。
电压范围是3Vdc到18Vdc(实用5V)。
MC1453B自身包含防止高静电压或电场的损害的保护电路,但是还要采取必要的预防措施防止比额定值高的电压加在这个高阻抗的电路上。
正常情况下,要求输入和输出电压必须在VSS与VDD之间。
对于不用的输入必须固定在适当的逻辑电平(VDD或VSS),不用的输出必须开路。
MC1453B方框图
电阻Rx和电容Cx是外接的。
方框图中的Rx是外接电阻、Cx是外接电容。
输入
输出
___RESET(__CLR)
A
B
Q
_Q
1(高电平)
1(高电平)
上升沿
0(低电平)
1(高电平)
下降沿
高电平脉冲
高电平脉冲
低电平脉冲
低电平脉冲
1(高电平)
1(高电平)
上升沿或下降沿
1(高电平)
0(低电平)
上升沿或下降沿
不触发
不触发
不触发
不触发
1(高电平)
1(高电平)
0、1、下降沿
0(低电平)
1(高电平)
0、1、上升沿
不触发
不触发
不触发
不触发
0(低电平)
上升沿或下降沿
X
X
X
X
0(低电平)
不触发
1(高电平)
不触发
表1 MC1453B的真值表
从表1我们可以看出当Reset为高电平时,只有当输入A为低电平、B为下降沿时或B为高电平、A为上升沿时才可以触发输出脉冲;当Reset为低电平时,无论A、B如何变化,Q输出恒为低电平。
下面以逻辑图与时序图为例讲一下MC1453B的工作原理。
A、触发操作
在没有输入触发时,单稳态电路处于静态,Q的输出为低,并且外接容Cx上充电到VDD。
当输入A由低电平(VSS)变为高电平(VDD)(输入B和Reset都是高电平VDD)时,一个有效的触发被电路识别,CONTROL用ENABLE(高电平)命令打开比较器C1,C1输出为高电平,使场效应管N1对地导通;同时ENABLE(高电平)使输出锁存器(OUTPUT LATCH)置位,Q输出高电平,如图4中的①所示。
N1导通,电容CX迅速对VSS(地)放电,直到电容CX上的电压达到Vref1,此时比较器C改变状态,输出为低电平,场效应管N1截止。
CONTROL用ENABLE(低电平)命令关闭和比较器C1,同时另一个ENABLE(高电平)命令打开比较器C2。
场效应管N1截止,电容CX通过RX充电。
当电容CX电压达到Vref2时,比较器C2改变状态输出为高电平,输出锁存器(OUTPUT LATCH)复位(Q输出为低电平),同时比较器C2关闭。
这样完成一次从静态开始的单稳态循环,电路等待下一次触发。
如图②所示是输入B下降沿触发。
B、重触发操作
如图③所示输入A的一次有效触发,在输出Q没有返回静态(低电平)时又来一次有效触发(如图④所示),MC1453B被重触发。
只要脚2或14的电压已经超过Vref1并且没有达到Vref2,任何重触发将使Q的输出脉冲时间T延长。
如图④所示,当一次有效重触发来到,CX上的电压将跌落到Vref1,重新开始一次触发脉冲。
输出Q将保持高电平直到最后一次有效重触发后时间T。
C、复位操作
如图⑤所示,即使在输出脉冲期间,MC1453B也可以复位。
在复位过程中,Reset的一个输入低电平脉冲置位RESETLATCH,QR输出高电平复位OUTPUTLATCH,使输出Q变为低电平;同时RESETLATCH的另一端输出低电平,使场效应管P1导通,电容CX迅速充电到VDD。
当电容CX电压达到Vref2,比较器C2输出高电平,复位RESETLATCH,这样就可以被触发。
如果Reset一直保持低电平,任何触发将无效,输出Q恒为低电平。
MC1453B有两种常用应用,如图5所示为可重触发单稳态电路,图6不可重触发单稳态电路。
在生命支持板中这两种电路都有,下面就生命支持板中的具体应用来说明。
主控制器有一个所谓“看门狗定时器”,只要主控制器的微控制器工作并且正常运行程序,看门狗定时器每1.5ms(Z3.5CD为每1ms)送出一个脉冲J3-B3(MasterControllerBoard 843-5471-131 1/8 B8)(WATCHDOG-TOGGLE),到生命支持板的J1-A32(LifeSupportBoard 843-5471-211 2/4)、U4-4即MC1453B的A输入端。
该MC1453B如图5上图所示,可重触发,输出脉冲宽度=(Rx)*(Cx)=(R89+R90)*(C1)=(200k)*(0.01μ)=2(ms)。
因为是可重触发的,只要看门狗定时器脉冲连续,U4-6(Q)恒为高电平,U4-7(Q(BAR))恒为低电平,经U16倒相后,U16-13输出MASTER_NORMAL(BAR)恒为低电平,U16-14、U16-15输出MASTER_NORMAL恒为高电平。
如果主控制器异常,只要看门狗定时器脉冲中断,MC1453B恢复到静态,U4-6(Q)为低电平,U4-7(Q(BAR))为高电平,经U16倒相后,U16-13输出MASTER_NORMAL(BAR)为高电平,U16-14、U16-15输出MASTER_NORMAL为低电平,发射机处于生命支持模式。
因为U37(4/4 C5)监测来自整流器板的+20Vdc(该电压对电源控制器很重要,如果没有它,电源控制器就不能模拟读数,电源控制器关闭电源开始放电),如果这个电压低于+12Vdc(主控制器静音发射机),U37-7将输出低电平,即PWOERFAIL(BAR)为低电平,U4-3(RESET)输入低电平,无论看门狗定时器脉冲是否存在,U16-13输出MASTER_NORMAL(BAR)为高电平,U16-14、U16-15输出MASTER_NORMAL为低电平,发射机处于生命支持模式。
如果这里用不可重触发单稳态电路,看门狗定时器要每隔2ms输出一个脉冲,而且要与U4同步,电路难以实现,处理不好,发射机要在正常模式与生命支持模式之间不断切换。
介绍到这里,输出脉冲宽度设为2ms原因很简单,输出脉冲宽度应该大于1.5ms,因为小于等于1.5ms将导致主控制器正常时发射机要在正常模式与生命支持模式之间不断切换;输出脉冲宽度应该小于3ms,因为大于等于3ms将导致主控制器异常(看门狗定时器一个脉冲没有到,而发射机没有切换到生命支持模式,有可能损害发射机)。
2、开机
正常开机过程:
前面板的ON HIGH命令到主控制器板(MasterControllerBoard 843-5471-131 3/8 C4)的J3-B19、前面板的ON LOW命令到主控制器板(MasterControllerBoard 843-5471-131 3/8 C4)的J3-F17、前面板的REMOTE DISABLE命令到主控制器板(MasterControllerBoard 843-5471-131 3/8 C4)的J3-B17、A1TB1-1(REMOTE CONTROL INTERFACE J20-1)上的XMTR_ON_HIGH(BAR)到主控制器板(MasterControllerBoard 843-5471-131 3/8 B8)的J3-E24经74HC573八位三态锁存器输出到数据总线(DATA BUS),最终到了微处理器(U30)。
下面介绍下74HC573(查到M74HC573):
M74HC573名称全译是“不反转三态八位D型锁存器”。
M74HC573受LE(锁存允许)与OE(输出允许)控制。
当LE为高电平时,Q输出将与输入数据D相同;当LE为低电平时,Q输出将与锁存的D数据相同。
当OE为低电平时,八位Q输出为正常逻辑电平(高电平或低电平,由锁存的D数据决定);当OE为高电平时,Q输出为高阻抗状态。
微处理器根据前面板的ON HIGH和ON LOW命令发出TX_ON(1高电平)(MasterControllerBoard 843-5471-131 1/8 B7 J3-E7)到生命支持板(LifeSupportBoard 843-5471-211 2/4 A8)的J1-A55;微处理器根据前面板的REMOTE DISABLE命令来决定A1TB1上的高开命令是否有效,当远程控制允许,微处理器发送REM_ON_ENABLE(1高电平)(主控制器板MasterControllerBoard 843-5471-131 4/8 B2 J3-C15)到生命支持板(LifeSupportBoard 843-5471-211 2/4 B8)的J1-A39,同时发出TX_ON(1高电平)命令到生命支持板;当远程控制不允许,微处理器发送REM_ON_ENABLE(0低电平)(主控制器板MasterControllerBoard 843-5471-131 4/8 B2 J3-C15)到生命支持板(LifeSupportBoard 843-5471-211 2/4 B8)的J1-A39,不发出TX_ON命令,TX_ON保持(0)低电平。
TX_ON(1高电平)到与门U26-9,如上分析主控制器正常MSTR_NORMAL1为高电平
(1)到U26-10,U26-8输出高电平
(1)到或门U32-10,U32-8输出高电平
(1)到或门U32-12,U32-11输出高电平
(1)到U4-12(即MC1453B)的A输入端。
正如前面介绍,MC1453B输出脉冲宽度=(Rx)*(Cx)=(R90)*(C116)=(100k)*(1μ)=100(ms)。
U4-10(MC1453B的输出Q)输出100ms高电平脉冲到与门U35-13,同时100ms高电平脉冲也到或门U32-2,由于正常状态MSTR_NORMAL1输出为高电平到U33-13,U32-1,U32-3l输出高电平,保证U4被有效触发必定输出100ms高电平脉冲。
POWERFAIL(BAR)(监测来自整流器板的+20Vdc,+20Vdc正常为高电平)到与门U35-12,U35-11输出100ms高电平脉冲,一路TX_RESTART到功放控制器(PAController 843-5471-121 1/7 B1)的J30-30和电源控制器(PowerSupplyController 843-5471-171 1/3 A2)的J3-24即到了功放控制器和电源控制器的微处理器进行相应的复位处理(TX_RESTART命令将所有收到命令的控制板复位、初始化、清除所有故障,发射机试图满功率运行,如果发现故障,仅仅回到从前的故障状态;即任何由于故障关闭,例如PA或控制器,都试图重新开);一路到与门U6-13,A1TB1-7(REMOTE CONTROL INTERFACE J20-7)上的INTERLOCK接到(B8)J1-A4,联锁正常接地(A1TB1-6),U24-8输出低电平,经U27反相器后输出高电平到U6-12,与门U6-11输出100ms高电平脉冲到反相器U16-6,U16-11输出100ms低电平,到继电器K4-16,K4置位,K4-9与K4-13相接,K4-8与K4-4相接,K4-13输出高电平,到主控制器板(MasterControllerBoard 843-5471-131 1/8 B3 J3-F6)和功放控制器(PAController 843-5471-121 3/7 B8 J3-21经74HC573锁存器U34)的微处理器进行处理,同时还到反相器U16-5,U16-12输出低电平CONTACTOR_ON(BAR)到低压电源板(SUPPLY,LOW VOLTAGE 843-5471-131 B7)J2-1使继电器K1(控制电源)和K2(控制激励器)导通,发射机加电;U35-11输出(100ms高电平脉冲)另一路到U8-12(MC1453B的A输入端),其输出脉冲宽度=(Rx)*(Cx)=(R88)*(C76)=(301k)*(10μ)=3(s),但由于U8-13受MASTER-NORMAL(BAR)(主控制器正常为低电平),无输出脉冲。
正常开机还有一种方法,前面板的REMOTE DISABLE命令到主控制器板(MasterControllerBoard 843-5471-131 3/8 C4)的J3-B17、A1TB1-2(REMOTE CONTROL INTERFACE J20-2)上的REMOTE_ON_LOW(BAR)到生命支持板(LifeSupportBoard 843-5471-211 2/4 B8)J1-A10。
开机时REMOTE_ON_LOW(BAR)为低电平时,U24-6为低电平,U27-8为高电平到与门26-4,微处理器根据前面板的REMOTE DISABLE命令来决定A1TB1上的低开命令是否有效,当远程控制允许,微处理器发送REM_ON_ENABLE(1高电平)(主控制器板MasterControllerBoard 843-5471-131 4/8 B2 J3-C15)到生命支持板(LifeSupportBoard 843-5471-211 2/4 B8)的J1-A39,U32-6为高电平,与门U26-5为高电平,U26-6为高电平,U32-8为高电平,U32-11为高电平,到U4-12(MC1453B的A输入端),其他过程如上所述。
生命支持模式下的开机过程:
在生命支持模式下,面板的ON HIGH和A1TB1-1(REMOTE CONTROL INTERFACE J20-1)上的XMTR_ON_HIGH(BAR)命令不好用。
A1TB1-2(REMOTE CONTROL INTERFACE J20-2)上的REMOTE_ON_LOW(BAR)到生命支持板(LifeSupportBoard 843-5471-211 2/4 B8)J1-A10,开机时REMOTE_ON_LOW(BAR)为低电平时,U24-6为低电平,U27-8为高电平到与门26-4;MASTER_NORMAL(BAR)为高电平到或门U32-5,屏蔽了主控制器的REM_ON_ENABLE,U32-6为高电平,与门U26-5为高电平,U26-6为高电平,U32-8为高电平,U32-11为高电平,到U4-12(MC1453B的A输入端),由于现在发射机处于关机状态,继电器K4位置如原理图所示,K4-4输出高电平到U33-12,U32-1为高电平,U33-3为高电平,U4-13为高电平,即MC1453B允许触发,U4-10输出100ms高电平脉冲,一路到U32-2,U32-3输出100ms高电平脉冲,保证脉冲的稳定;另一路输出如上所述。
注意:
U8-13的输入MASTER_NORMAL(BAR)为高电平,U6-11输出100ms高电平脉冲将是有效触发,U8-10将输出3s高电平脉冲(软启动静音),经或门U33、U38分为两路,一路经激励器选择继电器K1、或门U36、路线JP1或JP2、反相器U28到激励器静音(静音时间3秒);另一路输出3秒高电平脉冲,经反相器U13-10输出3秒低电平脉冲到U5-5,断开U5-4和U5-3(APC环),U15-3输入-15V,U5-1输出-18V(IPA的栅压)静音。
在生命支持模式下,面板的ON LOW命令到了生命支持板(LifeSupportBoard 843-5471-211 2/4 A8的J1-A10(XMTR_ON_LOW)(按开机按钮为高电平),到与门U26-12;MSTR_NORMAL1为低电平到与非门U26-12,屏蔽了主控制器的PANEL_DISABLE的信号,U26-3输出高电平到U26-11,经或门U32到U4-12,其他过程如上所述。
3、关机
正常关机:
每当按下前面板上的OFF按扭,送出两路命令,一路到主控制器(P26 C4J4-13)一路到生命支持板(P48B8J1-A12)。
主控制器就送出一个高的TX-OFF指令到生命支持板(P48 B8)的J1-A53使得与门U25-12为高,当主控制器工作正常时,U25-13为高,所以U25-11为高,送到或门U31-13为高,使U31-11为高,U33-4为高,U33-6变高,送反相器U16-7,使U16-10为低,触发K4-15,K4释放。
K4-13为低,K4-13的输出也到主控制器(P24 B3 J3-F6),
送到U16-5,反相后在U16-12输出高电平,到低压电源板(P52 B7)J2-1使继电器K1(控制电源)和K2(控制激励器)释放,主交流接触器K1释放,主电源被切断,关机。
同时,K4-4变高,使或门U30-10变高,在U30-6送出高电平,使系统静音,封锁激励器和IPA,并通过U30-12变高,使U30-11变高,关闭电源PS;到生命支持板的一路主控制器通过PANEL_DISABLE(高电平)屏蔽该开机命令,只有在生命支持模式下才有用。
A1TB1-3上的REMOTE_OFF(BAR)到生命支持板(P48 C8)J1-A8,关机时REMOTE_ON_LOW(BAR)为低电平,经U23、U27-6输出高电平,一路到主控制器(P26 C7 J3-A26),一路到与门U25-10,受前面板的REMOTE DISABLE控制的REM_OFF_ENABLE(P27 B3 J3-G16),如果灯亮,为低电平,如果灯不亮,为高电平,允许远程关机,U25-9为高电平,其他如上所述。
生命支持模式下的关机过程:
每当按下前面板上的OFF按扭,送出两路命令,一路到主控制器(P26 C4J4-13)一路到生命支持板(P48B8J1-A12)。
到生命支持板的XMTR_OFF,关机时为高电平到U26-1,MSTR-NORMAL1(低电平)通过与非门屏蔽了主控制器来的PANEL_DISABLE,U26-2为高电平,U31-10为高电平,其他如上所述。
A1TB1-3上的REMOTE_OFF(BAR)到生命支持板(P48 C8)J1-A8,关机时REMOTE_ON_LOW(BAR)为低电平,经U23、U27-6输出高电平,一路到主控制器(P26 C7 J3-A26),一路到与门U25-10,受前面板的REMOTE DISABLE控制的REM_OFF_ENABLE(P27 B3 J3-G16)被MASTER_NORMAL(BAR)经或门U31屏蔽,U31-6为高电平,U25-9为高电平,其他如上所述。
4、自动功率控制(APC)
主控制器的一个重要功能是由APC环是完成发射机功率控制。
APC环通过控制中功放输出功率而使发射机输出功率保持稳定。
换句话说,如果发射机功率上升,IPA输出功率将会被减少,导致PA射频功率输出减少,最终使发射机功率下降。
如果发射机功率输出下降,IPA射频输出将会是增加,这会增加PA射频输出来补偿发射机功率的下降。
APC环路从入射功率定向耦合器开始。
入射功率取样被连接到生命支持板(LifeSupport843-5471-2111/4C8)的J2,经过检波放大,在TP9通过R127被校正为8.9V@100%TPO(发射机功率输出)。
这个取样电压然后被送到主控器(MasterController843-5471-1317/8D8)的J3-E3,主控器的乘法芯片U1平方该电压值(因为功率正比于电压的平方)并且除以10,然后被送到U5-6,与APC_REF电压比较。
APC_REF数模转换器的直流输出(其输入是DAC_APC_REF),DAC_APC_REF是被控制器的前面板上的功率升(RAISE)和降(LOWER)按钮控制(或被遥控输入)控制,也可能主控器的功率跌落自动控制。
按功率升(RAISE)按钮增加APC_REF电压和按功率降(LOWER)按钮减少APC_REF电压。
所有发射机功率控制功能(功率电平、功率跌落和静音)都可改变DAC_APC_REF。
因此在出现故障时DAC_APC_REF是一个非常重要的数。
根据DAC_APC_REF可以算出APC_REF的电压(主控制器TP8处的电压)例如:
APC_REF的电压=660×0.004883=3.22(V)
注意:
在工
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