控制行波管工作的浮动板调制器的设计与制造毕业论文

控制行波管工作的浮动板调制器的设计与制造第一章 方案的选择摘 要 本设计的主要内容就是设计一个用于控制行波管工作的浮动板调制器。说明书首先对雷达发射机做了一个大概的介绍，然后对包含我设计任务的行波管发射机的内部组成一一作了介绍，对本设计要制作的浮动板调制器在行波管发射机中的作用也进行了说明，然后对线形调制器和刚性调制器的工作原理以及区别优劣作了比较，对为什么要采用浮动板调制器作了说明，同时对浮动板调制器的电路组成，工作原理作了详细介绍，由于要制作成实物印制板，所以对组成浮动板调制器的印制板的绘制，元器件封装的选择与更改，相关集成库的建立，都作了详细介绍，浮动板调制器是行波管发射机内部的关键器件，它只有与其它器件一起才能工作，所以说明书对行波管发射机内部和浮动板调制器密切相关的其他部分也作了相关简要介绍。关键词 行波管 浮动板调制器 印制电路板 行波管发射机 AbstractThis design primary coverage is designs one to use in controlling the TWT work the floating plate modulator,The instruction booklet first has made a general introduction to the radar transmitter,Then to contained me to design the duty the TWT transmitter interior to compose content has made the introduction，The floating plate modulator must manufacture which to this design was an expert to good expert in the TWT transmitter the function also to carry on the explanation，Then has made the comparison to the linear modulator and the rigid modulator principle of work as well as the difference fit and unfit quality,Why to had to use the floating plate modulator to give the explanation。Meanwhile to the floating plate modulator electric circuit composition, the principle of work has made the detailed introduction,Because must manufacture the board in kind, therefore to composes the floating plate modulator the PCB, The choice and the change seals which to the primary device, the correlation integrates the storehouse the establishment, all has made the detailed introduction.The floating plate modulator is the TWT transmitter interior essential component, it only then can work together with other components, therefore the instruction booklet with has also made a synopsis to the TW tube transmitter interior other components with the fluctuation board modulator relations。 Keywords: TWT floating plate modulator Printed circuit board TWTtransmitter 目 录前言第一章 方案的选择一 采用行波管作发射机的放大器的原因- 1二 采用浮动板调制器的原因 -1第二章 雷达发射机一 雷达发射机在雷达中的作用- -1二 雷达发射机的基本组成和分类-1三 雷达发射机的主要技术参数和要求-2第三章 行波管发射机一 概述-4二 超宽频发射机的概念-5三 行波管发射机工作流程介绍-5四 行波管发射机电路框图-6五 行波管的结构-6六 行波管发射机的工作原理-8第四章 浮动板调制器一 简述脉冲调制器的概念-10二 浮动板调制器选用-11三 浮动板调制器的结构框图-12四 浮动板调制器的电路设计-12第五章 印制板的基础知识一 使用Protel Dxp 进行电路板设计的步骤-16二 原理图及PCB图实施注意问题-17三 自建元器件原理图和封装及集成库的建立-25第六章 浮动板调制器的实施一 元器件及电路模块的选择-25二 元器件封装的选择-28三 浮动板调制器从原理图到PCB 图的实施-31结论-35谢词-36附录-37参考文献-38 前 言本设计的主要目的在于为行波管发射机设计并制造一个浮动板调制器，在文中详细介绍了如何利用浮动板调制器控制MTI-344XL栅控行波管的工作，以达到控制6.518GHZ超宽频带雷达发射机的目的。对浮动板调制器的电路组成，工作原理作了详细介绍，由于本设计要制作实物，所以对如何选用元器件和如何制作PCB板也作了介绍。由于浮动板调制器与行波管发射机内部的其他部件密不可分，故对行波管发射机内部的其他部件也作了相关介绍。技术要求为：一 浮动板调制器的工作电压10KV；二 具有栅偏压输出其电压能在-200V-300V范围内调节（栅偏压电源的带负载能力20mA）；三 调制脉冲幅度稳定度优于0.1%，并可在15v300v范围内调节；四 能方便的实现调制脉冲参数的调节其参数应该满足：（一）脉冲重频 tr=100HZ1000HZ （二）脉冲宽度tw=10us30ms（三）脉冲前沿t10.5us（四）脉冲后沿t20.5us由于浮动板调制器属于刚性开关调制器，开断都利索，所以在性能上优于线形调制器，故在现阶段使用较多。过去浮动板调制器多采用电子管器件，现在的浮动板调制器多采用半导体器件，所以又叫全固态浮动板调制器。但是由于电源与激励都要耦合到在高压上浮动的浮动板上去，因此耦合相当困难。本设计采用光纤技术与浮动板技术的结合使高低电位区严格分隔开，避免干扰，得到了体积小，寿命长，工作可靠和性能优良的调制。一 采用栅控行波管做发射机的放大器件的原因行波管控制有阴极调制和阳极调制以及栅极调制由于本设计所用行波管型号决定了采用栅极控制可以使电路最简化且方便控制。所以采用栅极控制的行波管作发射机的放大器件。二 采用浮动板调制器的原因调制器的选择： 用来产生调制脉冲的设备称为脉冲调制器，按所用调制开关分，脉冲调制器的两种基本形式是线型调制器（又称软开关调制器）例如氢闸流管和硬管调制器（又称为刚性开关调制器）例如浮动板调制器。刚性开关是指通断可以任意控制，不受所通过的电流大小影响，软性开关是指只有通过的电流下降到一定电平以下才能断开的开关，所以线形调制器的开通和截止慢而且输出的调制脉冲波形差且不容易控制，前后沿拖得长，脉冲顶部有波动，对负载阻抗的适应性和对波形的适应性差。由于现在的刚性浮动板调制器有独立的电源，不用储能电容，且它产生的脉冲信号的频率和脉宽都可以通过调节其内部的555定时器电路来调节，脉冲的前后沿在浮动板调制器内部可以处理，所以输出的调制脉冲波形好，脉冲顶部平坦，且容易改变。能够达到设计指标提出的要求并且工作时受环境和负载的影响较小，所以本设计采用刚性浮动板调制器。第二章 雷达发射机一 雷达发射机在雷达中的作用雷达是利用物体对电磁波的反射特性来发现目标并且测定目标的距离，方位，高度和速度等参数的。雷达在工作时要求发射一种特定的高频大功率无线电信号。雷达发射机就是为雷达提供受到调制的大功率射频信号，经收发开关和馈线送至天线，由天线聚成波束向空间辐射出去，发射机是雷达的重要部件之一。二 雷达发射机的基本组成及分类雷达发射机的基本组成部件是射频功率源（射频振荡器和功率放大器），调制器及电源等三大部分。根据产生射频功率的方法不同，常把雷达发射机分为单级振荡和主振多级放大式两类。在单级振荡式中，功率振荡器产生一个受到调制的高功率的射频信号直接送到天线。单级振荡式用于传统雷达，用的是磁控管。在主振多级放大式中，主控振荡器产生一个功率相当低的射频信号，要先经过倍频使它升高到微波波段，再经过受到调制器控制的射频放大链后才送到天线。由此看来，两类发射机的主要不同之处在于射频振荡其的输出，单级振荡式发射机与主振多级放大式发射机相比最大的优点是简单，经济，轻便，一般来说，同样的功率电平，单级振荡式发射机的重量大约只有主振多级放大式的1/3。因此一般尽量先选用单级振荡式方案，当然对发射机要求较高时就要采用主振多级放大式发射机。三 雷达发射机的主要技术参数及要求根据雷达用途的不同，对发射机规定了一些主要的质量指标，提出一些具体的技术参数，雷达发射机的主要性能指标通常用工作频率或频段，脉冲重复频率，脉冲宽度，输出功率，高频脉冲形式，总效率，频率稳定度等技术参数来描述。（一） 雷达的工作频率f0 就是发射机输出高频信号的频率，表示每秒钟振荡的次数，与之相对应的波长叫工作波长0，他们之间的关系为： f 0 =V/0 （2-1）式中，V为电磁波的传播速度，V= 3*108（m/s ）=C(真空中的光速)在雷达技术领域常用频段的名称，用L，S，C，X 等英文字母来命名见图1（二）脉冲重复频率F（或重复周期T）发射机每秒钟产生高频脉冲的个数，叫脉冲重复频率F，其倒数叫脉冲重复周期T，它等于相邻两个高频脉冲前沿的间隔时间。（三） 脉冲宽度脉冲雷达发射的高频脉冲的持续时间叫脉冲宽度 。（四）发射功率发射机的输出功率可用脉冲功率P1和平均功率P2 来表示，脉冲功率P1 是指高频脉冲持续期间的输出功率；平均功率P2 是指脉冲功率在一个重复周期T 类的平均值，P1 和P2 的关系如下：P2 =*P1/T=FP1 （2-2）式中/T称为雷达的工作比通常为千分之几到百分之几，发射机的脉冲功率越大，雷达的作用距离就越远。 图1 雷达频段与相应的雷达（五）脉冲波形雷达发射的脉冲高频振荡的包络，要求越接近矩形越好，有以下几个方面的原因：当脉冲宽度一定时，矩形脉冲所包含的能量比任何其它波形（如三角波）所包含的能量大，所以通常选用矩形脉冲来调制高频振荡；矩形脉冲计时精度最高，因而测距精度也最高；矩形脉冲，容易分辨两个相邻目标，距离分辨力最强。调制脉冲为矩形，使发射管的工作电压随时间变化很小，使发射管的功率和频率比较稳定，使接收质量影响小。两种波形见图2所示。图2两种脉冲波形测距精度比较（六）高频脉冲形式为适应不同的类型，不同作用的雷达探测目标的需要，高频脉冲信号的形式也不同常用以下几种脉冲形式见图3 。图3高频脉冲的几种形式（七）工作频率稳定度所谓工作频率稳定度是指发射机的工作频率稳定情况，即发射机的工作条件（如工作状态和环境）的改编引起工作频率的变化，常叫频率偏移，如果频率发生偏移，会使接收机收到的信号变小或根本收不到信号，从而影响雷达的正常工作，设法提高雷达发射机的工作频率稳定度是提高发射机质量的一个重要环节。（八）总效率雷达发射机的总效率是指输出的平均功率P出与输入消耗的功率（交，直流功率）P入 效率= P出/P入 发射机是雷达中最耗电的部分，所以提高发射机的总效率是设计者的重要任务之一，对于主振多级放大式的途径就是改善高频功放输出级的效率。第三章 行波管发射机一 概述 （一）现代军事或民用行业都广泛采用各种雷达进行情报收集，火控，干扰或者天气预报。（二）高性能全相参雷达一般由天线，全相参发射机，接收及频综系统，数据处理及终端显示系统组成。其中，全相参发射机是雷达的心脏。它性能的好坏直接关系到雷达整机的指标和造价。（三）全相参发射机可分为全固态发射机和真空管发射机，后者通常采用行波管，前向波管或者速调管作为发射器件，具有发射功率大。购置成本低的优势。（四）行波管发射机具有频带宽，工作电压低，控制灵活等显著优点，被广泛应用于火控和电子对抗等领域，具有很好的市场前景。 二 超宽频带雷达发射机的概念 现代雷达所面临的一大难题是如何提高抗干扰能力，目前对雷达进行干扰的手段很多。比较起来最难对付的是有源干扰 ，因为它不能用任何干扰抑制滤波器或者CFAR电路解决，也不能用时间选择的方法消除（因为它在时间上是连续发射的）。通常对付这种有源干扰的办法是采用增加频带宽度，增加频带宽度可以迫使对方干扰机由瞄准式变成阻塞式干扰，使干扰能量分散。如果发射机的频带很宽，就会迫使对方采用全波段高功率干扰，这样的干扰机不是一般的作战飞机能够携带的，只能由专用的电子干扰机或者军舰设备携带，这就增加了敌方干扰的困难。 频率覆盖X和Ku 波段的超宽带雷达，可以通过采用自适应频率捷变技术，在6.518GHz频带范围内有目的地使用雷达工作频率跳变到干扰强度最弱的区域。这种办法所以有效，是因为干扰机很难做到完全接近于白色频谱，而在干扰机交界处也往往存在频谱凹口，实现这种宽频带雷达的关键技术之一，在于设计一部好的超宽频带雷达发射机。行波管发射机由于价格适中，性能优异，被广泛采用。三 行波管发射机工作流程介绍行波管发射机结构框图见图4信号源即微波信号源，它就是需要放大的信号，它的频率一定要在行波管放大范围内才能被放大，否则不能被放大，该信号输入射频放大链，从射频放大链得到能量被放大，通过射频传输系统送到天线去发射出去，高压图4行波管发射机示意图 供电电源就是这个能量提供者，栅控浮动板调制器就是控制放大链是否工作的开关，控制检测组合就是对系统的工作进行随时检查，发现问题立即给出信息。四 行波管发射机电路框图（见附录1）五 行波管的结构行波管中的发生基本物理过程是：使电子的速度稍大于行波相速，行波管中的电子产生群聚，由于电子注的平均速度稍大于行波，所以电子注的大部分处于减速场，电子被场减速而交出部分能量给行波场，使行波振幅不断增长。这种放大作用随着行波的前进而不断积累起来，最后从慢波系统的输出端输出被放大的高频信号。行波管的结构示意图如图5所示。行波管对波形的放大示意图如图6所示。行波管结构示意图5图6行波管放大示意图行波管的基本结构主要由6部分组成，其结构示意图如图图7所示图7行波管组成部分示意图（一）电子枪包括灯丝，阴极，控制极（或聚焦电极），第一阳极，第二阳极。用产生一束不发散的具有一定速度的电子注。（二）慢波系统用以减慢电磁波在行波管中的相速，在中小功率行波管中常用螺旋线作慢波结构，电子注从螺旋管中飞行。而电磁波沿螺旋线传播，并与电子注相互作用。这种结构简单方便，频带宽，在大功率行波管中常采用耦合腔慢波结构。它是利用金属膜片把圆波导分割成一些独立的耦合腔，金属膜片中间开孔，组成腔间的漂移管，让电子注通过，由于直径很小，是电磁波截止，金属膜片圆周上开的槽缝使腔间耦合，使电磁波通过，这样电磁波就从槽缝到两漂移管间隙再到槽缝其传播路径呈之字形，由于漂移管处于截止状态，场基本上集中在漂移管的间隙内，电子注与电磁场在此处相互作用。耦合腔慢波结构结构如图8所示：图8 耦合腔慢波结构（三） 输入输出装置主要作用是实现外接馈线与螺旋慢波线之间无反射的过渡连接，使高频信号送到慢波始端，沿慢波线向前传输，并与电子注相互作用。电子注的直流能量装换为高频场能量，使高频信号得到放大，最后从慢波线末端的输出装置送到负载，对输入，输出装置要求严格，如要求在所希望的频率范围内具有良好的匹配，与慢波线的连接处要求渐变过渡，以防打火击穿等等。（四）聚束系统它的作用是外加的电磁力（电磁线包，周期性永久磁钢或静电透镜）来约束电子注的发散，磁场方向就是行波管的轴向方向和电子注运动方向。（五）收集极用于收集与电磁波作用后的电子，并使他们以热耗形式散掉，但要保证在收集极任何部分的功耗不能超过材料和冷却系统的允许极限。在小功率管中，要采取降压收集的措施。（六）衰减器用来抑制负载不匹配而产生的反射波，防止自激，例如采用集中衰减器法是在夹持螺旋线的介质棒上敷上一层碳膜。六 行波管发射机的工作原理。（一）总述微波源产生的微波信号经过发射机放大链的放大，达到额定输出功率后送到天馈线向空间辐射，定时触发脉冲经过光纤传输将定时脉冲送到调制器，调制器悬浮在高压电平上，控制放大链的工作，高压电源为放大链正常工作提供需要的能量，控制检测组合用来控制发射机的正常开关机，检测发射机工作时的运行状态，对发射机所发生的故障进行保护和故障指示。（二 ）宽带射频放大链宽带射频放大链由固态功率放大器和行波管放大器二级组成，低噪声固态功率放大器的工作频带为6.518GHz，增益20dBm，输入信号在经过固态功放后到达行波管放大器的输入功率在经过级间衰减后不小于50mW，通过调制电控衰减器，可使行波管工作在最佳增益状态。本设计行波管放大器的带宽为6.518GHz ，增益45dB，工作比高达6%。为了使行波管在整个频率范围内增益起伏较小，行波管输入端配置了均衡器。这样，信号在经过二级放大后其输出可达2KW，总增益在65dB的射频放大链要保证稳定正常的工作，级间隔离是必不可少的。因此，在固态功率放大器和行波管放大器之间采用Ku波段隔离器以保证级间隔离度不小于30db .在行波管的输出端接上宽带定向耦合器和环行器，前者用来监测输出信号的频谱和射频包络，后者用来保护行波管免遭由天馈线不匹配而产生的微波功率反射。射频放大链见图9。（三）行波管供电电路为了有效地提高行波管放大器的工作效率，大功率行波管通常采用收集极降压的工作方式，考虑到行波管阴极电源对行波管相位噪声的影响较大，以及行波管工作时调制的方便，一般采用图10的供电方法。行波管灯丝供电，负偏压和调制器悬浮在阴极电压Ek上，在脉冲间歇期间行波管被栅极负偏压截止，处于截止状态，栅极加上一定幅度正的矩形脉冲后，行波管导通，在电子束和磁场的相互作用下，射频输入信号被慢波线放大。行波管阴极（提供阴极队管体的高压Ek）和收集极电源（提供阴极对收集极的电压Ec）分别由两个单独的电源组成，降压收集极的电压Ec约为阴极电压Ek的50%-70% ，而且通过的电流约占总电流的80%-90% ，由于收集极电压Ec对行波管图9 射频放大链的示意图相位噪声影响较小，所以尽管他消耗的功率很大（站总功率的80% ），但他实现起来比较容易，也比较经济，行波管阴极电压Ek由于它是作为射频放大用的同步电压，所以有时也叫做慢波线电压。他对行波管的工作影响较大，一般要求Ek稳定度高，纹波小，好在他的功率较小（约占总功率的10% ）所以实现起来就不太困难了。（四） 调制器本质上调制器是一个功率转换器，其任务是为行波管提供性能合乎要求的调制脉冲。此调制器产生普通方波信号，信号周期由输入脉冲的周期决定，详细内容请见第三章 浮动板调制器。（五） 控制检测组合控制检测组合的主要任务之一就是确保行波管的安全工作，发射机的开关机要受到多个继电器的控制，根据宽带发射机的工作过程，可将其工作状态分为四个。1准备状态。400Hz/50Hz供电加上，低压电源工作，控制检测组合等 待接受命令并进行自检，2灯丝状态。行波管灯丝负偏压加上，行波管处于灯丝预热状态。3高压状态。行波管阴极高压，收集极电压加上。4脉冲工作状态。调制器工作，发射机工作。发射机的每个状态对应一组开关状态。开机时，必须严格按照1-4的顺序进行，关机则按照逆序进行。当发射机开关过程结束并转入正常运转后，发射机处于维持状态，此时实际上相当于检测状态，应当指出，每一个状态都对应着一组相应的故障点图10 收集极降压的并联供电方法 ，当各级检测点都正常时，发射机可接受命令进入到4即脉冲工作状态，若某极检测点发生故障，可根据情况逆序关机到下一级。第四章 浮动板调制器一 简述脉冲调制器的概念现代脉冲发射机对脉冲调制器提出了极为严格的波形要求。因为雷达系统的稳定度，噪声和频谱特性等都直接与调制脉冲的前后沿时间，时间抖动，脉冲顶部波动，顶部降落和调制脉冲的脉间稳定性有关。改善射频放大管的振幅调制灵敏度和相位调制灵敏度固然重要，但有时困难的，因而射频脉冲的质量很大程度上靠脉冲调制器来控制。（一）脉冲调制器的组成脉冲调制器本质上是一个功率转换器，其认为是为射频放大管提供性能合乎要求的视频调制脉冲，他把初级电源送来的交流功率先转换成合适电压的直流功率，然后通过脉冲产生系统，形成和控制负载上所要求的调制脉冲。图1纸上1.储能元件 他在脉冲间歇期间把电源供给的能量存储起来，而在脉冲持续期间把储能供给射频负载，利用储能元件的好处是能给负载提供高峰值的峰值功率，但不要求电源系统有高的峰值功率。但在现在由于有单独的电源了，所以储能元件有被取代的趋势。2.调制开关 他用来形成和控制视频脉冲，起到直流功率与视频脉冲功率的转换作用，故也叫能量转换开关，可以采用真空管。3.高压电源. 他把初级电源整流变成直流高压电源。4.负载. 脉冲调制器的负载就是射频放大管。5.限流元件. 他的作用有三 以使构成储能元件的充电电路，二是防止调制开关导通时电源被短路三是减小脉冲后沿的作用，即起到脉冲后沿切尾作用。6.旁通元件 由于射频管只能单向导电，为了储能元件在脉冲间歇期间能充够电，故要设置旁通元件，通常由电感和电阻串联网络组成。二 浮动板调制器的选用 在采用大功率微波真空管的脉冲雷达发射机中，为了使雷达得到所需要的探测信号，就必须使雷达发射机中高频功率源（例如行波管或者速调管）的工作受到某种宽度，幅度，和重复频率的矩形脉冲去控制高频振荡的过程叫脉冲调制，用来产生调制脉冲的设备称为脉冲调制器。按所用调制开关分，脉冲调制器的两种基本形式是线型调制器（又称软开关调制器）和硬管调制器（又称为刚性开关调制器）。线型调制器的基本工作原理是：把缓慢地充入储能元件的能量，在短时间内经过开关元件传输给负载，在每个脉冲期间全部储能都会被负载消耗掉，其中的调制开关只是用来起始和维持储能元件的的放电，而不是控制脉冲波形，当储能元件已经充分放电，开关中的电流停止并恢复承受电压的能力是，脉冲就结束了，此脉宽是由人工线决定的(就是图中的储能元件)，不易改变。线型调制器组成框图如图11所示。线型调制器组成框图 图11这种调制器的优点是转换功率大，要求的激励脉冲振幅小，功率低，没有严格的波形要求。故激励脉冲发射器十分简单。但他的缺点也很明显:输出的调制脉冲波形差，前后沿拖得长，脉冲顶部有波动，对负载阻抗的适应性和对波形的适应性差。随着现代电子技术的迅猛发展，雷达向多功能方向大步前进。为此，对脉冲调制器地要求越来越高。首先体现在多波形和大工作比等技术要求上。在这种情况下，传统的线形调制器已很难满足需求，因此采用刚性开关调制器，例如浮动板调制器就成为合适选择，本设计采用的浮动板调制器是通过半导体来实现的所以也可以叫全固态浮动板调制器。由于现在的刚性浮动板调制器有独立的电源，所以不用储能电容，浮动板调制器输出的电压脉冲去控制真空管的栅极，栅极电压只受激励脉冲的控制，所以通断利索，转换迅速，输出的调制脉冲波形好，其宽度基本上由调制器的激励脉冲决定，且容易改变。工作时受环境和负载的影响较小，是跟踪雷达的常用调制器。三 浮动板调制器的结构框图浮动板调制器由其前导触发信号发生器和高电位触发放大部分组成，浮动板组成框图如图12所示由图可知，由于浮动板调制器分为高电位区和低电位区，为了实现电位隔离使高低电位严格分开，最好的办法就是使用光纤来实现高低电位区信号的传输。这样在设计和制版上都要简单些。 四 浮动板调制器电路结构设计 参见附录图2和图3（一） 简述利用光纤传输把雷达定时信号耦合到浮动板调制器的输入端，然后在浮动板调制器内部形成电压幅度，波形等诸方面都合乎要求的激励脉冲。具体工作情况如下：当雷达定时器没有脉冲来到时，浮动板调制器给行波管栅极施加-300v-200V (具体数字由行波管的型号决定) 偏压，管子处于关断状态。当系统触发脉冲来到时浮动板调制器经过光纤接受，通过开关使正电源(10V300V)加到行波管栅极(开启电压决定于管子的型号) ，使管子导通。同时，调制器内部检测电路对行波管栅极工作状态进行检测，检测结果通过光纤传送到整机监控系统。当激励脉冲结束后，栅极又迅速被负偏压所截至。具体电路介绍：由低电位触发产生印制板的N1和N2（两个LM555CN及外围电路见图13和图14）产生一定波形和脉宽的脉冲信号，通过RP1和RP2（电位器3259P型）可以调制脉冲的重频和脉宽，C5和C6两个电容是用来扩展调整量程的，555定时器产生的脉冲信号一路送出去送到示波器（此时通过调节RP1和RP2可以在示波器上直观的显示频率和脉宽的变化），另一路去控制三极管V2的通断，即可控制信号能否通过EP1输出，电压信号经过HFBR-1414T（EP1）完成电压转换成光信号后输出，通过光纤传输传到高电位触发放大印制板的HFBR-2412（EP1），完成从光信号到电压信号的转换，HFBR-2412T通过6脚输出，即有光信号它就有个低电平输出，在正常情况下正输入加到EXB841的15脚，若高电位触发放大板的V2（PNP型三极管） 是通的（只要6脚有低电平输出），则从15脚到14脚的电路就通了，通过 EXB841内部光耦 处理 见图15，所以3脚就会有输出。由其3脚输出信号通过R10输出去控制V1（IGBT）的通断.场效应管JFET-N在图中相当于一个可调电阻，通过调节电位器7和8 可以控制JFET的栅源电压，又因为栅极脉冲电源（正电源）通过JFET-N加到IGBT上，通过调整JFET-N的栅源电压可以使加在IGBT上的电压线性变化，由于平时IGBT上的电压降是很低的，如果IGBT过流，会使IGBT上的压降过高即VD2 的2脚上的电压会变高，EXB841的6脚（集电极监视）就收到信号，通过5脚就会给出一个过流信号使光耦EP3内部的发光二极管截止，EP3的4脚无信号输出，进而通过浮动板组成框图 图12SN7400N使V2截止，所以EXB841无信号输出。IGBT也不工作了，栅极调制脉冲电源就无法加到行波管的栅极，行波管此时会被负偏压可靠截止。系统具有保护监测部分：1偏压保护：如果-300V偏压电源有故障没有输入，则高电位触发产生板的无栅偏压检测电路中的比较器LM339N会动作输出一个低电平输出，而该低电平控制SN7400N图13 调脉宽电路的11脚输出一个高电平使V2截止，使 EXB841停止工作 ，即 EXB841没有输出。同时比较器LM339CN输出的低电平会使V1 截止，使偏压正常指示灯灭，故障信号由EP2（HFBR-1414T）输出，低电位触发产生板的EP2（HFBR-2412T ）检测到有光信号传来，就输出一个低电平通过SN7400N翻转输出一个高电平则V3（NPN三极管）导通，继电器K1的线圈通电，动臂断开常闭接到常开，同时偏压故障指示灯HL1亮，继电器输出信号去控制其它印制板采取措施。高电位触发放大板的+5v和-5v电压由一个桥式整流器和一个不可调的正稳压器7805和一个不可调的负稳压器7905及其外围电路组成。+20v电压由一个桥式整流器和一个可调的正稳压器LM317及其外围电路组成。+20v电压是提供给EXB841作电源的 。在该简图中，通过EXB841的3脚输出信号到IGBT，由于IGBT相当于一个开关，当它的栅极加上一定的正电压时，IGBT 就导通了，正电源的正端通过场效应管V4加到电阻R12及行波管的栅极。负端加到行波管的阴极及灯丝上。浮动板调制器在行波管发射机中的作用就相当与一个水闸，通过调节V4可以调节加到行波管栅极的电压大小，即调节脉冲信号的幅度，而IGBT就是个开关，它打开，正的矩形脉冲才能加到行波管的栅极，它关断了就没有正矩形图14调频率电路 图15 EXB841 内部的光耦系统脉冲加到行波管栅极，这时是负偏压加到行波管栅极使行波管截止不工作。浮动板控制图如图16所示：图16 浮动板调制器控制图示意图第五章 印制板的基础知识一 使用Protel Dxp 进行电路板设计的步骤（一）创建设计工程为了便于统一管理各种设计文档，用户应首先创建一个设计工程，然后依次创建其他文档。即首先filenewpcbprojiect,然后给他重命名就新建了一个工程，要创建一个原理图就是filenewschematic library.（二）绘制原理图绘制原理图是设计印制板的基础，在完成电路结构的初步构想后，就可以利用Protel Dxp 的原理图编辑系统来绘制电路原理图。（三）进行原理图校验分析在完成原理图的绘制后，可以根据事先设定的设计规则对原理图进行校验；还可以通过电路仿真对电路的可行性进行分析，对电路的结构进行优化。（四）设计印制电路板启动PCB编辑器，为电路板设计好物理边界，外形，和电器边界，加载根据原理图创建的网络连接和元件封装，对电路板进行自动布局并手工调整，对电路板的自动布线进行手工调整。（五）打印和输出原理图，PCB图和相关报表完成了印制电路板的设计后，可以利用打印机或绘图仪打印原理图，印制电路板图并输出相关报表（如元件表等），以便存档或进行元件采购。（六）制作生产PCB使用的文件PCB 设计的最后阶段时制作生产PCB使用的文件，主要包括底片文件和数控钻文件等。二 原理图及PCB实施注意问题（一）印制电路板的尺寸与形状因为受机箱外壳的大小和形状的限制，以能恰好放入外壳内为宜，当PCB板尺寸过大时，印制板线路长，阻抗增加，成本增加，抗噪声能力下降。PCB板尺寸过小，则散热不好，且相邻线条易受干扰。此外在确定PCB板的形状时，还应该考虑到印制板的固定方式，以及印制板与外接器件（主要是电位器，插口，或者其它的印制板）的连接方式。一般说来，电路板的最佳形式是矩形，长度比为3：2或者4：3电路板的面积大于200mmX150mm 时应该考虑到电路板所受的机械强度。 在确定PCB元件布局时，应该先留出印制板的定位孔和固定支架所占用的位置，然后合理安排各个功能单位的位置，并以每个功能单元的核心器件为中心，将其它的元件围绕该元件进行均匀，整齐，紧凑的排列，从而尽量减少和缩短个元器件之间的连线，使布局利于信号流通，并使信号保持方向一致。例如在设计CPU 时，时钟发生器，晶振和CPU的时钟输入端都容易产生噪声，要相互靠近些如图17（二）元器件的放置顺序制作PCB板时，元件的布局力求布局均衡，疏密有致，不能头重脚轻后一头沉元件的放置顺序大致如下：1.放置于机箱结构有关的需要固定位置的元件，如电源插座，指示灯，开关，连接件等，这些元件放置好后最好将其锁定，以免以后乱动。对于可调电感线圈，可变电容器，微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求，若是机内调节，应放在印制板的上方便于调节的地方，若是机外调节，其位置应该与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。位置特殊元件与体积较大的元件，如发热元件，变压器，CPU插座等，此时应注意以下问题：图17就近放置原则示意图（1）某些元件或导线之间可能会有较高的电位差，应该加大他们之间的距离，以免放电时引起短路，带强电的元件应尽量布置在调试时手不易触摸到的地方。（2）尽可能缩短高频元件之间的连线，减少他们之间的电磁干扰，易受干扰的元件不能相靠太近，应该尽量远离输入和输出元件。（3）在高频下工作的电路，应该考虑到元件之间的分布参数。仅可能使元件平行排列，这样不仅美观，而且易于焊接和批量生产。（4）在许多印制板电路上同时有高压电路和低压电路，高压电路部分的元件与低压电路部分的元件要分隔开放置，隔离距离与要承受的耐压有关，要承受2000kv的耐压，高低压线路之间的距离至少应该为2mm改承受3000v的耐压，高低压线路之间距离应在3.5mm以上，许多情况下，为避免爬电，还在印制线路板的高低压之间开槽。（5）对于重量超过15g 的元件，应用支架加以固定，然后焊接，以提高电路板的耐振和耐冲击性能。2.确定元件布局时的散热考虑自由风冷 强迫风冷图18 根据风冷形式决定元件排布 ( 1）从有利于散热的角度出发，印制板最好直立安装，板与板之间的距离一般不应该小于2cm而且元件在印制板上的排列方式应遵循一定的规则：对于采用自由对流空气冷却的设备，最好是将集成电路按纵长方式排列，对于采用强制空气冷却的设备，最好采用将集成电路按横长方式排列。见图18(2）同一块印制板上的元件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列，发热量小或耐热性差的元件（如小信号晶体管，小规模集成电路，电解电容）放在冷却气流的最上流（入口处），发热量大或或耐热性好的元件（如功率晶体管，大规模集成电路）放在冷却气流最下游。(3）在水平方向上，大功率元件尽量靠近印制板边沿布置，以便缩短传热路径；在垂直方向上，大功率元件尽量靠近印制板上方布置，以便减少这些元件工作时对其它元件的温度影响。(4）热敏元件最好放置在温度低的区域（如设备底部），千万不要将他放在发热元件的正上方，多个元件最好在水平面上交错布置，如果需要的话，可为热敏元件或发热量较大的元件加装散热片。(5）对于又大又重且发热量大的元件，最好不要把它装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上。（6）设备内印制板的散热主要依靠空气流动，所以在设计时要研究空气流动路径，合理配置元件或者印制电路板。空气流动是总要趋于阻力小的地方流动，所以在印制板上配置元件时，要避免在某个区域留有较大的空域，整机中多个印制电路板的配置要注意同样的问题。3.确定元件布局时的其它考虑 确定元件布局时，除了要注意以上问题还要注意（1）位于电路板边沿的元件离电路板边缘一般不少于3mm ，或者至少大于板厚，这是由于在大批量生产的流水线插件和进行波峰焊时，要提高给导轨槽使用，同时也为了防止由于外形加工引起边缘部分的缺损。如果板上面的元件过多，不得已要超出3mm 范围，可以在板的边缘加3mm的铺边，铺边开v型槽，在生产时掰断即可。（2）在印制板布置高速，中速，低速逻辑电路时，按图19排列元件4.PCB板的布线原则 （1）印制导线的布设应尽可能的短，在高频回路中更应该如此。（2）印制导线的拐弯应该是圆角，直角或尖角在高频电路和布线密度高的情况下回影响电气性能。图19 高频，中频，低频逻辑电路的布局方式 （3）采用双面板布线时，两面的导线应该互相垂直，斜交或弯曲走线，避免相互平行，以减小寄生耦合。（4）输入和输出端导线应尽量避免相邻平行，最好在导线间添加中间地线，以避免反馈耦合。5.印制导线的宽度（1）由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要由印制导线的电感部分造成的，因此应该减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比，与其宽度成反比，因此，短而宽的导线对于抑制干扰是有利的，对于分立元件电路，印制导线宽度在0.5mm 左右即可完全满足要求，一般可取0.45mm( 18mil,1mil=0.025mm);对于集成电路，印制导线宽度可在0.2mm1.0mm 之间选择，一般可取0.25mm（10mil ） 。（2）强电流引线（如公共地线等）应尽可能加宽，以降低布线电阻及其电压降，减小寄生耦合而产生的自激，可能的话应该使用0.45mm 的线条，这点在带有微处理器的电路中尤为重要，因为当地线过细时，由于流过的电流变化，地点位变动，微处理器的定时信号的电平不稳，会使噪声容限恶劣。（3）导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压（包括工作电压，附加波动电压以及其它原因引起的峰值电压 ）决定，在布线密度较低时，信号线的间距可以适当加大，高低电平悬殊的信号线应尽可能的短而且加大间距，对于集成电路和数字电路，只要工艺允许，最小间距可设置为10mil(0.25mm)6.印制导线的接地与屏蔽（1）在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法，如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分的干扰问题。电子设备中地线的结构大致有系统地，机壳地（屏蔽地），数字地（逻辑地）和模拟地等。在地线设计中应该注意一下几点： 1）正确选择单点接地和多点接地，在低频电路中，信号的工作频率小于1MHZ 时，他的布线和元件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而采用一点接地。当信号工作频率大于10MHZ时，地线的阻抗变得很大，此时应尽可能降低地线阻抗，应采用多点就近接地。当工作频率在110MHZ时，如采用一点接地，其地线长度不应超过波长的的/20，否则采用多点接地法。2）将数字地和模拟地分开，电路板上既有高速数字电路又有模拟电路，应使他们尽可能分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连，此外要尽量加大模拟地的接地面积尽量加粗地线并大面积敷铜，若地线很细，接地点位则随电流变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏，因此接地线要粗。此外，在印制板上尽量多的保留铜箔作地线，这样得到的屏蔽效果比一条长地线更好传输特性和屏蔽作用得到改善，并起到减小分布电容的作用。3）将接地线构成闭合环路 设计只由数字电路组成的印制板的地线系统时，将接地线做成闭合环路可以明显提高抗噪声能力。其原因在于：印制板上有很多集成电路元件，尤其遇到耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地线上产生较大的电位差，引起抗噪声能力的下降，若接地线构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。印制导线的公共地线应改尽量布置在印制板的边缘部分。7.其他抗干扰措施（1）为了抑制印制板的导线之间的串扰，在设计布线时，应该尽量避免长距离的平行走线（例如可对某些导线采用蛇形走线），尽可能拉开线与线之间的距离，信号线与地线应尽可能减少交叉或不交叉，此外，在一些对干扰十分敏感的信号线之间设置一根接地的印制线，可有效地抑制串扰。（2）为了避免高频信号通过印制导线时产生的电磁辐射，在印制电路板布线时还应该注意以下几点：1）尽量减少印制导线的不连续性，例如导线宽度不要突变，禁止环状走线2）时钟信号引线最容易产生电磁辐射干扰，走线时应与地线回路相靠近3）驱动器应紧挨着连接器和其欲驱动的总线。数据总线的布线应每两根信号线之间夹一根信号地线，并最好紧挨着地址线，因为后者常载有高频电流。4）为了抑制出现在印制线条终端的反射干扰，除了特殊需要之外，应尽可能的缩短印制线的长度和采用慢速电路。必要时可加终端配置，即在传输线的末端对地和电源端各加接一个相同阻值的匹配电阻。根据经验，对一般速度较快的TTL电路，其印制板线条长于10cm时就采用终端匹配措施。匹配电阻的阻抗应根据集成电路的输出驱动电流及吸收电流的最大值来确定。5）在印制板中有接触器，继电器，按钮等元件时，操作他们均会产生较大的火花放电，必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R的取值取12千欧母，C的取值取2.247uF 6）CMOS的输入阻抗很高且易受感应，因此在使用时对不使用的端口要接地或者接正电源。8.去耦电容的配置（1）在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。例如，在数字电路中，当电路从一个状态转换为另一个状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，是印制板的可靠性设计的一种常规做法1）电源输入端跨接10100uF 的电解电容。如有可能接100uF 更好。2）原则上每个集成电路芯片都应该布置一个0.01pF的瓷片电容，如遇到印制板空隙不够，可每4-8个芯片布置一个1-10pF的钽电容3）对于抗噪声能力弱，关段时电源变化大的元件，如RAM，ROM存储元件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入去耦电容。4）电容引线不能太长，尤其在高频旁路电容不能有引线。9. 关于电源的问题降低纹波的技术特点当使用一个电源来对敏感电路供电时，他必须保持输出电压的变化尽可能小，例如当以5v 电源驱动数字电路，输出电压的变化应该限定在5% （即0.25v）或者更低。但实际上数字逻辑电路通常都有最低200mv 的噪声容限。对于小信号模拟电路更要特别关注电源的输出变化例如有时要求电源电压变化小于1% 才能正常工作，那么如何才能实现呢？那就必须使用滤波电容和稳压器。滤波电容在正向整流期间存储电荷，存储的电荷可以减少输出的波动；在负向整流期间，滤波电容通过负载放电-使输出电平有一个足够缓慢下降的变化从而保持输出电压在一定水平上。如果滤波电容太小，它可能无法存储足够的电荷，在负向整流期间它将无法保持负载电流和输出电压稳定。改变流经负载的电流量将影响电容的放电速率，如果在电源输出端跨接一个低阻值的负载，电容相对地的放电就会更快，使电容器和负载两端的电压下降相应变快。对于高阻抗的负载，电容放电变慢，这意味着输出电压将不会有很大的变化。可以用下式计算在放电期间电容下降： I=C*V/t，这里I 是负载电流，t是放电时间，V 是输出电压在平均直流电平上下的波动值。V 也被认为是脉动电压峰值Vpp。t大约为整流输出电压的一个周期，对于全波整流，周期为1/（120HZ）或者8.3x 0.0001s 事实上，在峰值变化期间，电容放电的实际时间是5ms 充电时间是3.3ms 可用下式子简化计算V纹波（max ）= (0.0024s )Il/Cf （5-1）注意纹波电压不是峰峰值而是有效值。稳压器经常利用分贝来表示纹波抑制参数。例如7805的纹波抑制参数大约为60dB ，现在再来看使用LM317的好处，LM317抑制纹波的的特性大约65dB若用一个10uF的电容来旁路LM317的分压器。该值可以上升到80dB。10. 过孔的应用（1）在一般的电路板中，过孔钻孔直径可以设置为40mil ，焊盘直径可以设置为22mil ，对于多层板来说，可以使用10/20mil（钻孔/焊盘）的过孔。（2）尽量少用过孔，如果必须使用过孔，必须处理好它与周边导线，元件焊盘等对象的间隙，特别是中间各层与过孔不相连的导线与过孔的间隙。（3） 需要的载流量越大，所需要的过孔尺寸越大，例如，电源层。接地层与其他连接所用的过孔就要大些，从而有效地减小阻抗。 11. 焊盘的形状，大小与补泪滴处理（1）焊盘的形状，直径和内孔尺寸一般来说，分离元件和接插件大都采用圆形焊盘，且焊盘直径可设置为62mil ，内孔直径可设置为32mil，对于采用DIP和 PGA封装的集成电路而言，有大都采用圆形焊盘，且焊盘直径可设置为50mil，内孔直径可设置为32 mil 对于采用扁平封装的元件来说，大都采用矩形焊盘，其内径被设置为0，宽度约为23.622 mil ，长度大约为86.614 mil 当然具体到某个元件应该根据元件的资料来决定。通常情况下，可以用元件引脚直径加上0.3mm 作为焊盘内孔直径。例如，电阻的金属引脚直径为0.5mm时，其焊盘内孔直径可设置为0.8mm。此外，焊盘的内孔直径一般不小于0.6mm ，因为小于0.6mm 的孔开模冲孔时不易加工。（2） 焊盘的补泪滴 当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不易起皮，而且走线与焊盘不易断开。12 .大面积敷铜 印制电路板上的大面积敷铜主要有两个用途，一个是散热，一个用于屏蔽来减小干扰。初学者的常犯错误是大面积敷铜没有开窗口，而由于印制板板材的基板与铜箔间的粘着剂在侵焊或长时间受热时，会产生挥发性气体无法排出，热量不易散发，以致产生铜箔膨胀，脱落现象，因此使用大面积敷铜时，最好将其设计为网状。13. PCB 设计流程 绘制原理图是PCB的前期工作，若原理图简单则不用绘制原理图。设置PCB编辑器的环境参数，包括网络的大小，光标的捕捉范围及采用的单位，规划电路板的层结构（单面板，双面板或者多层板） ，确定电路板的有效布局和布线范围。大致过程是： 绘制原理图；设置环