智能延迟触发产生器的设计

摘要：针对高速飞行物的Ｘ光阴影照相所要求的提前触发问题，设计了一套可自动根据物体飞行速度触发Ｘ光机的智能延迟触发产生器。该产生器采用全数字电路工作，工作速度快，响应迅速，不存在响应时间的不确定区域，可保证Ｘ光机触发时刻的准确。 关键词：可编程数字电路 Ｘ光阴影照相 智能延迟 触发 CPLD 在弹道测量、高速飞行物碰撞实验（如太空中的“垃圾”碎片对飞行的卫星及飞行舱的损害研究所进行的实验）及其它的类似实验中，需要准确测量飞行物碰撞前的一些状态，如速度、飞行姿态、断裂等情况，并且希望得到在碰撞前很短的距离处测量到的数据。这样在Ｘ光阴影照相技术中，有关Ｘ光机的触发问题就显得很重要。如果Ｘ光机提前触发了，此时飞行物还未进入照相区域或者离碰撞区的距离还远，则记录不到弹丸的Ｘ光图像，或者由于位置不理想而造成数据不够准确；如果Ｘ光机延迟过多触发，则无法获得碰撞前的状态参数。所以，Ｘ光机的触发时刻必须准确才能保证获得物体在希望位置处的Ｘ光阴影图像，并且降低实验成本。 基于这种对触发时间的严格要求，用高速、大规模可编程数字电路设计了一套智能延迟触发产生器，它具有工作速度高、电路延时小而确定的特点，在实验中获得了成功的应用。 １ 微型计算机处理的不足 按常理，用计算机来处理一些智能问题是非常合适的，也是常采用的方法，但在该类触发系统中并不适用：首先，计算机根据预先测量到的飞行速度计算所需要的提前触发时间是需要一定的软件计算时间的。如果采用单片机系统，则该计算时间可以长达几十微秒，甚至更长；其次，微型计算机（即使是ＰＣ机）的Ｉ／Ｏ操作也需要微秒量级的时间，并且存在一定的抖动，这对于超高速飞行物的碰撞实验来讲是不能忍受的。从上述两个方面来看，在该类系统中使用微型计算机系统来完成所需的智能延迟触发功能在原理上虽然不难，但却不能够满足超高速情况和非常精确的要求，并且成本过于昂贵，所以必须采用工作速度很快的全硬件电路。 ２ 智能延迟触发原理 智能延迟触发产生器的原理框图如图１所示。 在物体飞临Ｘ光测量处之前，预先安放好的预测速系统可以探测到物体的大概飞行速度，并输出速度对应信号Ｖ＿ＴＥＳＴ；同时启动速度区间判断电路， 由其产生预先设计好的各种速度所对应的电信号（其高电平宽度对应速度大小），并与信号Ｖ＿ＴＥＳＴ进行符合，得到相对应速度的选择信号Ｖｉ；由有效的Ｖｉ确定对应的速度所需的延迟触发时间Ｐｉ，并经输出触发脉冲形成电路获得一个宽度为１．００μｓ的触发脉冲。该触发脉冲即可用于Ｘ光机的触发。 ３ 飞行物预测速系统 该系统由前端的飞行物探测系统与后面的速度电信号处理电路组成。飞行物探测系统的构成如图２所示。图中的探测器可以是激光—光电探测器（基于激光隔断测速原理）或线圈探测器（基于磁测速原理），它们的放置间隔为Ｌ１，当物体飞越探测器时，电路可输出相对应的脉冲信号Ｓ１和Ｓ２，这两个脉冲信号之间的时间Ｔ１即为物体飞越距离Ｌ１所用的时间，因此预测平均速度Ｖ１为： Ｖ１＝L1/T1 （１） 由式（１）即可通过对时间Ｔ１进行计数而判断出弹丸的大致速度。由于Ｌ１和Ｌ２较小，可认为物体碰撞前的速度近似为Ｖ１。因此，物体飞越距离Ｌ２所需时间Ｔ２也就是延迟触发Ｘ光机的时间，可由下式得到： Ｔ２＝L2/V1 （２） ４ 速度预设电路 根据物体的飞行速度范围,按一定的速度间隔（如１００ｍ／ｓ）等间隔或不等间隔将其分为多个区域；该电路由探测器Ｄ１的输出信号启动，同时产生所有速度区域的信号，并用预测速度门宽信号Ｔ１与这些信号进行相与的操作，就可以选择飞行速度所处的速度区间，并输出一个速度选择信号Ｖｉ给下级电路。 图３是速度设定的单元电路。该图所示速度设定值为１１．３ｋｍ／ｓ（Ｌ１＝１０．０ｃｍ），改变图中Ａ０～Ａ９（Ａ０～Ａ１５）的值，即可设置相应的速度值。图４显示了获取速度区间信号的处理过程。 ５ 速度区间选择电路 此电路根据预测速度值完成速度区间的选择，电路主要由数据锁存器组成，Ｖ＿ＴＥＳＴ的下降沿将有效的速度区间信号锁存并保持而得到速度区间选择信号Ｖｉ。图５则显示了获取速度区间选择信号Ｖｉ的处理过程。 图6和图7 ６ 延迟区间选择电路 根据前面已确定的预测速度区间，本电路决定触发脉冲的延迟时间，并经触发脉冲形成电路获得一个宽度为１．００μｓ的输出触发脉冲。其信号处理原理如图６所示，电路原理则如图７所示。图７中所示数值对为应于１１．４５ｋｍ／ｓ速度所需的延迟触发时间数值。 图8 速度为4.156km/s时的仿真结果 ７ 仿真及实际测量结果 利用Ｌａｔｔｉｃｅ公司的高速大规模在线可编程数字电路ｉｓｐＬＳＩ１０３２Ｅ－１２５?眼１?演来实现上述功能。首先用仿真软件进行了电路编程和仿真。图８显示了在Ｌ１＝１０．０ｃｍ和Ｌ２＝１５．０ｃｍ条件下预测速度为４．１５６ｋｍ／ｓ时的仿真结果，其延迟时间为３５．２９２μｓ。仿真结果与设计结果非常相符。 图９是实际的测量电路框图，图１０则显示了电路的实际测量结果。图中的所有信号是用逻辑分析仪ＬＡ５５４０在５００ＭＨｚ的时钟频率下获取的，说明了该智能延迟触发器的功能符合设计要求。 从仿真结果及实测结果来看，该智能延迟触发器的电路设计是成功的，结合实际测量要求所研制的智能延迟触发器已成功地应用于高速碰撞实验中。其原理性的电路已解决了智能延迟触发原理的根本问题，因此速度细分在原则上不会带来设计上的难度，仅是增加电路的规模而已。该电路的最大特点是以低成本的全硬件电路数字化地实现延迟触发时间的选择，预设置值改变方便、响应快，克服了用微处理器实现时存在的处理时间长、不稳定等缺陷。