智能延遲觸發(fā)產生器的設計

摘要：針對高速飛行物的Ｘ光陰影照相所要求的提前觸發(fā)問題，設計了一套可自動根據物體飛行速度觸發(fā)Ｘ光機的智能延遲觸發(fā)產生器。該產生器采用全數字電路工作，工作速度快，響應迅速，不存在響應時間的不確定區(qū)域，可保證Ｘ光機觸發(fā)時刻的準確。

關鍵詞：可編程數字電路 Ｘ光陰影照相 智能延遲 觸發(fā) CPLD

在彈道測量、高速飛行物碰撞實驗（如太空中的“垃圾”碎片對飛行的衛(wèi)星及飛行艙的損害研究所進行的實驗）及其它的類似實驗中，需要準確測量飛行物碰撞前的一些狀態(tài)，如速度、飛行姿態(tài)、斷裂等情況，并且希望得到在碰撞前很短的距離處測量到的數據。這樣在Ｘ光陰影照相技術中，有關Ｘ光機的觸發(fā)問題就顯得很重要。如果Ｘ光機提前觸發(fā)了，此時飛行物還未進入照相區(qū)域或者離碰撞區(qū)的距離還遠，則記錄不到彈丸的Ｘ光圖像，或者由于位置不理想而造成數據不夠準確；如果Ｘ光機延遲過多觸發(fā)，則無法獲得碰撞前的狀態(tài)參數。所以，Ｘ光機的觸發(fā)時刻必須準確才能保證獲得物體在希望位置處的Ｘ光陰影圖像，并且降低實驗成本。

??? 基于這種對觸發(fā)時間的嚴格要求，用高速、大規(guī)?？删幊虜底蛛娐吩O計了一套智能延遲觸發(fā)產生器，它具有工作速度高、電路延時小而確定的特點，在實驗中獲得了成功的應用。

１ 微型計算機處理的不足

按常理，用計算機來處理一些智能問題是非常合適的，也是常采用的方法，但在該類觸發(fā)系統中并不適用：首先，計算機根據預先測量到的飛行速度計算所需要的提前觸發(fā)時間是需要一定的軟件計算時間的。如果采用單片機系統，則該計算時間可以長達幾十微秒，甚至更長；其次，微型計算機（即使是ＰＣ機）的Ｉ／Ｏ操作也需要微秒量級的時間，并且存在一定的抖動，這對于超高速飛行物的碰撞實驗來講是不能忍受的。從上述兩個方面來看，在該類系統中使用微型計算機系統來完成所需的智能延遲觸發(fā)功能在原理上雖然不難，但卻不能夠滿足超高速情況和非常精確的要求，并且成本過于昂貴，所以必須采用工作速度很快的全硬件電路。

２ 智能延遲觸發(fā)原理

智能延遲觸發(fā)產生器的原理框圖如圖１所示。

在物體飛臨Ｘ光測量處之前，預先安放好的預測速系統可以探測到物體的大概飛行速度，并輸出速度對應信號Ｖ＿ＴＥＳＴ；同時啟動速度區(qū)間判斷電路，由其產生預先設計好的各種速度所對應的電信號（其高電平寬度對應速度大?。⑴c信號Ｖ＿ＴＥＳＴ進行符合，得到相對應速度的選擇信號Ｖｉ；由有效的Ｖｉ確定對應的速度所需的延遲觸發(fā)時間Ｐｉ，并經輸出觸發(fā)脈沖形成電路獲得一個寬度為１．００μｓ的觸發(fā)脈沖。該觸發(fā)脈沖即可用于Ｘ光機的觸發(fā)。

３ 飛行物預測速系統

該系統由前端的飛行物探測系統與后面的速度電信號處理電路組成。飛行物探測系統的構成如圖２所示。

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圖中的探測器可以是激光—光電探測器（基于激光隔斷測速原理）或線圈探測器（基于磁測速原理），它們的放置間隔為Ｌ１，當物體飛越探測器時，電路可輸出相對應的脈沖信號Ｓ１和Ｓ２，這兩個脈沖信號之間的時間Ｔ１即為物體飛越距離Ｌ１所用的時間，因此預測平均速度Ｖ１為：

Ｖ１＝L1/T1?? （１）

由式（１）即可通過對時間Ｔ１進行計數而判斷出彈丸的大致速度。由于Ｌ１和Ｌ２較小，可認為物體碰撞前的速度近似為Ｖ１。因此，物體飛越距離Ｌ２所需時間Ｔ２也就是延遲觸發(fā)Ｘ光機的時間，可由下式得到：

Ｔ２＝L2/V1?? （２）

４ 速度預設電路

根據物體的飛行速度范圍,按一定的速度間隔（如１００ｍ／ｓ）等間隔或不等間隔將其分為多個區(qū)域；該電路由探測器Ｄ１的輸出信號啟動，同時產生所有速度區(qū)域的信號，并用預測速度門寬信號Ｔ１與這些信號進行相與的操作，就可以選擇飛行速度所處的速度區(qū)間，并輸出一個速度選擇信號Ｖｉ給下級電路。

圖３是速度設定的單元電路。該圖所示速度設定值為１１．３ｋｍ／ｓ（Ｌ１＝１０．０ｃｍ），改變圖中Ａ０～Ａ９（Ａ０～Ａ１５）的值，即可設置相應的速度值。圖４顯示了獲取速度區(qū)間信號的處理過程。

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５ 速度區(qū)間選擇電路

此電路根據預測速度值完成速度區(qū)間的選擇，電路主要由數據鎖存器組成，Ｖ＿ＴＥＳＴ的下降沿將有效的速度區(qū)間信號鎖存并保持而得到速度區(qū)間選擇信號Ｖｉ。圖５則顯示了獲取速度區(qū)間選擇信號Ｖｉ的處理過程。

圖6和圖7

６ 延遲區(qū)間選擇電路

根據前面已確定的預測速度區(qū)間，本電路決定觸發(fā)脈沖的延遲時間，并經觸發(fā)脈沖形成電路獲得一個寬度為１．００μｓ的輸出觸發(fā)脈沖。其信號處理原理如圖６所示，電路原理則如圖７所示。圖７中所示數值對為應于１１．４５ｋｍ／ｓ速度所需的延遲觸發(fā)時間數值。

圖8 速度為4.156km/s時的仿真結果

７ 仿真及實際測量結果

利用Ｌａｔｔｉｃｅ公司的高速大規(guī)模在線可編程數字電路ｉｓｐＬＳＩ１０３２Ｅ－１２５?眼１?演來實現上述功能。首先用仿真軟件進行了電路編程和仿真。圖８顯示了在Ｌ１＝１０．０ｃｍ和Ｌ２＝１５．０ｃｍ條件下預測速度為４．１５６ｋｍ／ｓ時的仿真結果，其延遲時間為３５．２９２μｓ。仿真結果與設計結果非常相符。

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??? 圖９是實際的測量電路框圖，圖１０則顯示了電路的實際測量結果。圖中的所有信號是用邏輯分析儀ＬＡ５５４０在５００ＭＨｚ的時鐘頻率下獲取的，說明了該智能延遲觸發(fā)器的功能符合設計要求。

從仿真結果及實測結果來看，該智能延遲觸發(fā)器的電路設計是成功的，結合實際測量要求所研制的智能延遲觸發(fā)器已成功地應用于高速碰撞實驗中。其原理性的電路已解決了智能延遲觸發(fā)原理的根本問題，因此速度細分在原則上不會帶來設計上的難度，僅是增加電路的規(guī)模而已。該電路的最大特點是以低成本的全硬件電路數字化地實現延遲觸發(fā)時間的選擇，預設置值改變方便、響應快，克服了用微處理器實現時存在的處理時間長、不穩(wěn)定等缺陷。