基于CPLD的雷達(dá)仿真信號(hào)的設(shè)計(jì)

引言

隨著新一代作戰(zhàn)飛機(jī)大量裝備現(xiàn)役，機(jī)載雷達(dá)設(shè)備的維修任務(wù)越來(lái)越繁重，現(xiàn)代化的仿真測(cè)試系統(tǒng)成為重要的維修設(shè)備。雷達(dá)信號(hào)的仿真又是測(cè)試系統(tǒng)中必不可少的。但采用函數(shù)/任意波發(fā)生器組成測(cè)試系統(tǒng)，不僅增加系統(tǒng)成本，而且還給系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)增加不必要的負(fù)擔(dān)。為此，提出了一種基于CPLD的雷達(dá)仿真信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方案，它能為機(jī)載雷達(dá)測(cè)試系統(tǒng)提供所需的多種典型的重頻脈沖及制導(dǎo)信號(hào)。

雷達(dá)仿真信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)

雷達(dá)仿真信號(hào)發(fā)生器主要由輸入輸出控制和產(chǎn)生仿真信號(hào)的CPLD芯片兩部分組成。輸入輸出控制信號(hào)是利用測(cè)試系統(tǒng)的工控機(jī)通過(guò)數(shù)字I/O卡來(lái)產(chǎn)生，當(dāng)工控機(jī)通過(guò)數(shù)字I/O卡輸出有效信號(hào)時(shí)，發(fā)生器將會(huì)輸出相應(yīng)的脈沖信號(hào)。雷達(dá)仿真信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雷達(dá)仿真信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)

圖中，雷達(dá)仿真信號(hào)發(fā)生器的控制信號(hào)有雷達(dá)仿真信號(hào)脈沖開關(guān)、聯(lián)合信號(hào)UNITED開關(guān)、制導(dǎo)信號(hào)SA-H開關(guān)、制導(dǎo)信號(hào)SA-L開關(guān)和照射輸出SA-W開關(guān)。上述開關(guān)都是低電平有效，當(dāng)“脈沖開關(guān)”有效時(shí)，雷達(dá)仿真信號(hào)發(fā)生器即處于工作狀態(tài)。這時(shí)只要任何控制信號(hào)有效就能使其輸出相應(yīng)的雷達(dá)仿真信號(hào)。“SA-H”有效時(shí)，“out1”輸出高重頻脈沖信號(hào)；“SA-L”有效時(shí)，“out1”輸出中重頻脈沖信號(hào)；“SA-W”有效時(shí)，“out2”輸出照射脈沖信號(hào)；“UNITED”有效時(shí)，“out3”輸出聯(lián)合脈沖信號(hào)，即在照射脈沖底電平時(shí)加入高重頻或中重頻脈沖信號(hào)。

CPLD內(nèi)電路設(shè)計(jì)及仿真

本設(shè)計(jì)中選用的CPLD為Altera公司的EPM7128SLC84，屬于MAX7000系列。MAX7000系列提供600～5000可用門(器件上提供1200～10000門)，引腳到引腳的延時(shí)為6ns，計(jì)數(shù)器頻率可達(dá)151.5MHz。

CPLD是雷達(dá)仿真信號(hào)發(fā)生器的核心所在，其內(nèi)部電路主要分為6個(gè)子模塊，分別是5分頻及脈寬整形模塊、10分頻及脈寬整形模塊、60分頻及脈寬整形模塊、100分頻電路、625分頻電路和脈沖輸出選擇器。各模塊之間連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 CPLD內(nèi)部各模塊之間連接關(guān)系

時(shí)鐘脈沖輸入CLK頻率為外部晶振提供的10MHz的信號(hào)，為10分頻及脈寬整形電路、60分頻及脈寬整形電路、100分頻電路提供50ns脈寬的輸入信號(hào)。100分頻和625分頻電路是采用MAX+PLUSⅡ自帶宏函數(shù)LPM-COUNTER(可預(yù)置計(jì)數(shù)器)設(shè)計(jì)的，10MHz的信號(hào)由LPM-COUNTER的clk端輸入，而cout作為分頻后的脈沖輸出端，根據(jù)需要的脈沖頻率來(lái)設(shè)置函數(shù)modulus和width參數(shù)，以100分頻電路為例，將modulus設(shè)置為100相應(yīng)的width設(shè)置為7，當(dāng)宏函數(shù)各控制信號(hào)設(shè)置為計(jì)數(shù)狀態(tài)后，在clk上升沿來(lái)到時(shí)開始計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)到100時(shí)，計(jì)數(shù)器歸零并在cout輸出一脈寬為clk時(shí)鐘周期的脈沖，如此反復(fù)，從而達(dá)到100分頻的目的，圖3給出100分頻的仿真波形。

圖3 100分頻的仿真波形

60分頻及脈寬整形電路產(chǎn)生周期 6μs、脈寬1.2μs的高重頻脈沖，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。分頻電路采用上述同樣的設(shè)計(jì)方法，只需將modulus和width參數(shù)分別設(shè)置為60和6，即產(chǎn)生周期為6μs脈寬100ns的脈沖(圖5中clk100ns)。將此信號(hào)作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)，而該D觸發(fā)器的輸入端始終保持高電平，這樣當(dāng)D觸發(fā)器在時(shí)鐘上升沿到來(lái)后輸出會(huì)始終保持“1”，但為了得到1.2μs脈寬的脈沖必需在1.2μs后對(duì)D觸發(fā)器清零。清零信號(hào)的設(shè)計(jì)同樣利用LPM-COUNTER函數(shù)，函數(shù)的輸入信號(hào)為10MHz的脈沖信號(hào)，modulus和width參數(shù)分別設(shè)置為13和4，當(dāng)計(jì)數(shù)到13時(shí)(clk輸入端出現(xiàn)第13個(gè)上升沿，即時(shí)鐘過(guò)去12個(gè)周期1.2μs)計(jì)數(shù)器歸零并在cout產(chǎn)生脈沖通過(guò)反相器接D觸發(fā)器(圖5中D:CLRN)清零端對(duì)觸發(fā)器清零使其輸出“0”。為了使計(jì)數(shù)器在D觸發(fā)器輸出“0”時(shí)不處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，將D觸發(fā)器的輸出端通過(guò)反相器接入LPM-COUNTER的同步清零端aclr。這樣便能在D觸發(fā)器輸出端得到需要的高重頻信號(hào)(圖5中f166k)，圖5給出了其仿真波形。


圖4 60分頻及脈寬整形結(jié)構(gòu)圖

圖5 高重頻信號(hào)仿真波形

10分頻及脈寬整形電路產(chǎn)生周期60μs、脈寬3μs的中重頻脈沖。它的設(shè)計(jì)采用和高重頻信號(hào)一樣的方法，只是將高重頻信號(hào)作為其10分頻電路的輸入。

5分頻及脈寬整形電路產(chǎn)生周期50ms、脈寬31.25ms的照射脈沖。它主要由一個(gè)LPM-COUNTER函數(shù)和譯碼器74138構(gòu)成，LPM-COUNTER的時(shí)鐘輸入利用100分頻和625分頻產(chǎn)生的周期6.25ms、脈寬10us的脈沖(見(jiàn)圖2)。將LPM-COUNTER函數(shù)width參數(shù)設(shè)置為3，其q[2..0]輸出0～7，將其作為譯碼器的輸入，這時(shí)在譯碼器的8個(gè)輸出端y0～y7會(huì)分別保持6.25ms的“0”。將y0～y4作為輸入，到5輸入與門就可得到31.25ms的脈寬。而譯碼器8個(gè)時(shí)鐘周期的循環(huán)則構(gòu)成50ms的脈沖周期。圖6為照射脈沖仿真波形。

圖6 照射脈沖仿真波形

輸出選擇器主要完成聯(lián)合狀態(tài)和各脈沖輸出管腳的選擇。聯(lián)合狀態(tài)輸出利用照射脈沖來(lái)控制高重頻和中重頻信號(hào)LPM-COUNTER函數(shù)的aclr清零信號(hào)，以便到達(dá)控制重頻信號(hào)的輸出。圖7為聯(lián)合狀態(tài)的仿真波形。

圖7 聯(lián)合狀態(tài)仿真波形