??? 摘? 要: 針對(duì)高速飛行物的X光陰影照相所要求的提前觸發(fā)問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一套可自動(dòng)根據(jù)物體飛行速度" title="飛行速度">飛行速度觸發(fā)X光機(jī)的智能延遲觸發(fā)產(chǎn)生器" title="產(chǎn)生器">產(chǎn)生器。該產(chǎn)生器采用全數(shù)字電路工作,工作速度快,響應(yīng)迅速,不存在響應(yīng)時(shí)間的不確定區(qū)域,可保證X光機(jī)觸發(fā)時(shí)刻的準(zhǔn)確。?

??? 關(guān)鍵詞: 可編程" title="可編程">可編程數(shù)字電路? X光陰影照相? 智能延遲? 觸發(fā)

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??? 在彈道測(cè)量、高速飛行物碰撞實(shí)驗(yàn)(如太空中的“垃圾”碎片對(duì)飛行的衛(wèi)星及飛行艙的損害研究所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn))及其它的類(lèi)似實(shí)驗(yàn)中,需要準(zhǔn)確測(cè)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(cè)量到的數(shù)據(jù)。這樣在X光陰影照相技術(shù)中,有關(guān)X光機(jī)的觸發(fā)問(wèn)題就顯得很重要。如果X光機(jī)提前觸發(fā)了,此時(shí)飛行物還未進(jìn)入照相區(qū)域或者離碰撞區(qū)的距離還遠(yuǎn),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(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確;如果X光機(jī)延遲過(guò)多觸發(fā),則無(wú)法獲得碰撞前的狀態(tài)參數(shù)。所以,X光機(jī)的觸發(fā)時(shí)刻必須準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)成本。?

??? 基于這種對(duì)觸發(fā)時(shí)間的嚴(yán)格要求,用高速、大規(guī)?？删幊虜?shù)字電路設(shè)計(jì)了一套智能延遲觸發(fā)產(chǎn)生器,它具有工作速度高、電路延時(shí)小而確定的特點(diǎn),在實(shí)驗(yàn)中獲得了成功的應(yīng)用。?

1 微型計(jì)算機(jī)處理的不足?

??? 按常理,用計(jì)算機(jī)來(lái)處理一些智能問(wèn)題是非常合適的,也是常采用的方法,但在該類(lèi)觸發(fā)系統(tǒng)中并不適用:首先,計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)先測(cè)量到的飛行速度計(jì)算所需要的提前觸發(fā)時(shí)間是需要一定的軟件計(jì)算時(shí)間的。如果采用單片機(jī)系統(tǒng),則該計(jì)算時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)幾十微秒,甚至更長(zhǎng);其次,微型計(jì)算機(jī)(即使是PC機(jī))的I/O操作也需要微秒量級(jí)的時(shí)間,并且存在一定的抖動(dòng),這對(duì)于超高速飛行物的碰撞實(shí)驗(yàn)來(lái)講是不能忍受的。從上述兩個(gè)方面來(lái)看,在該類(lèi)系統(tǒng)中使用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)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(guò)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(chǎn)生器的原理框圖如圖1所示。?

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??? 在物體飛臨X光測(cè)量處之前,預(yù)先安放好的預(yù)測(cè)速系統(tǒng)可以探測(cè)到物體的大概飛行速度,并輸出速度對(duì)應(yīng)信號(hào)V_TEST;同時(shí)啟動(dòng)速度區(qū)間判斷電路,由其產(chǎn)生預(yù)先設(shè)計(jì)好的各種速度所對(duì)應(yīng)的電信號(hào)(其高電平寬度對(duì)應(yīng)速度大小),并與信號(hào)V_TEST進(jìn)行符合,得到相對(duì)應(yīng)速度的選擇信號(hào)V_i;由有效的V_i確定對(duì)應(yīng)的速度所需的延遲觸發(fā)時(shí)間P_i,并經(jīng)輸出觸發(fā)脈沖" title="觸發(fā)脈沖">觸發(fā)脈沖形成電路獲得一個(gè)寬度為1.00μs的觸發(fā)脈沖。該觸發(fā)脈沖即可用于X光機(jī)的觸發(fā)。?

3 飛行物預(yù)測(cè)速系統(tǒng)?

??? 該系統(tǒng)由前端的飛行物探測(cè)系統(tǒng)與后面的速度電信號(hào)處理電路組成。飛行物探測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。圖中的探測(cè)器可以是激光—光電探測(cè)器(基于激光隔斷測(cè)速原理)或線圈探測(cè)器(基于磁測(cè)速原理),它們的放置間隔為L(zhǎng)₁,當(dāng)物體飛越探測(cè)器時(shí),電路可輸出相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)" title="脈沖信號(hào)">脈沖信號(hào)S₁和S₂,這兩個(gè)脈沖信號(hào)之間的時(shí)間T₁即為物體飛越距離L₁所用的時(shí)間,因此預(yù)測(cè)平均速度V₁為:?

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??? 由式(1)即可通過(guò)對(duì)時(shí)間T₁進(jìn)行計(jì)數(shù)而判斷出彈丸的大致速度。由于L₁和L₂較小,可認(rèn)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(shí)間T₂也就是延遲觸發(fā)X光機(jī)的時(shí)間,可由下式得到:?

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4 速度預(yù)設(shè)電路?

??? 根據(jù)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(gè)區(qū)域;該電路由探測(cè)器D1的輸出信號(hào)啟動(dòng),同時(shí)產(chǎn)生所有速度區(qū)域的信號(hào),并用預(yù)測(cè)速度門(mén)寬信號(hào)T₁與這些信號(hào)進(jìn)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(gè)速度選擇信號(hào)V_i給下級(jí)電路。?

??? 圖3是速度設(shè)定的單元電路。該圖所示速度設(shè)定值為11.3km/s(L₁=10.0cm),改變圖中A0～A9(A0～A15)的值,即可設(shè)置相應(yīng)的速度值。圖4顯示了獲取速度區(qū)間信號(hào)的處理過(guò)程。?

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5 速度區(qū)間選擇電路?

??? 此電路根據(jù)預(yù)測(cè)速度值完成速度區(qū)間的選擇,電路主要由數(shù)據(jù)鎖存器組成,V_TEST的下降沿將有效的速度區(qū)間信號(hào)鎖存并保持而得到速度區(qū)間選擇信號(hào)V_i。圖5則顯示了獲取速度區(qū)間選擇信號(hào)V_i的處理過(guò)程。?

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6 延遲區(qū)間選擇電路?

??? 根據(jù)前面已確定的預(yù)測(cè)速度區(qū)間,本電路決定觸發(fā)脈沖的延遲時(shí)間,并經(jīng)觸發(fā)脈沖形成電路獲得一個(gè)寬度為1.00μs的輸出觸發(fā)脈沖。其信號(hào)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(shù)值對(duì)為應(yīng)于11.45km/s速度所需的延遲觸發(fā)時(shí)間數(shù)值。?

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7 仿真及實(shí)際測(cè)量結(jié)果?

??? 利用Lattice公司的高速大規(guī)模在線可編程數(shù)字電路ispLSI1032E-125^[1]來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能。首先用仿真軟件進(jìn)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(yù)測(cè)速度為4.156km/s時(shí)的仿真結(jié)果,其延遲時(shí)間為35.292μs。仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果非常相符。?

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??? 圖9是實(shí)際的測(cè)量電路框圖,圖10則顯示了電路的實(shí)際測(cè)量結(jié)果。圖中的所有信號(hào)是用邏輯分析儀LA5540在500MHz的時(shí)鐘頻率下獲取的,說(shuō)明了該智能延遲觸發(fā)器的功能符合設(shè)計(jì)要求。?

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??? 從仿真結(jié)果及實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看,該智能延遲觸發(fā)器的電路設(shè)計(jì)是成功的,結(jié)合實(shí)際測(cè)量要求所研制的智能延遲觸發(fā)器已成功地應(yīng)用于高速碰撞實(shí)驗(yàn)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(wèn)題,因此速度細(xì)分在原則上不會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)上的難度,僅是增加電路的規(guī)模而已。該電路的最大特點(diǎn)是以低成本的全硬件電路數(shù)字化地實(shí)現(xiàn)延遲觸發(fā)時(shí)間的選擇,預(yù)設(shè)置值改變方便、響應(yīng)快,克服了用微處理器實(shí)現(xiàn)時(shí)存在的處理時(shí)間長(zhǎng)、不穩(wěn)定等缺陷。?

參考文獻(xiàn)?

1 ispLSI1032E.Lattice Databook Ver7.2(光盤(pán)資料),1998.11