微型脈沖供電式倒置接電開關可靠性試驗裝置

王 薇，張 瑜，祖 靜

（1.中北大學電子測試技術重點實驗室，山西 太原 030051；2.儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引言

在火炮膛壓測試中，放入式電子測壓器作為存儲測壓裝置要置于彈藥筒中，并隨彈藥保溫長達十余小時［1－2］，中途無法手動撥動開關，為了實現系統的低功耗，設計了倒置接電開關。在保溫過程中彈藥保持原姿態，此時倒置接電開關斷開；入膛前通過旋轉炮彈接通開關［3］，為測試系統上電。放入式電子測壓器多次在火炮膛壓測試中成功獲取數據［4］，但在試驗中仍然存在由于倒置接電開關不能正常對測試系統上電控制而使測試試驗失敗的例子。針對上述問題，設計了微型脈沖供電式倒置接電開關的試驗裝置。

1 微型脈沖供電式倒置接電開關

微型脈沖供電式倒置接電開關是放入式電子測壓器實現低功耗的關鍵部件［5］，它是基于重力對物體的影響，在水銀式、雙球式、干簧管和電容式倒置開關的基礎上設計的［6］。它由光電控制模塊與CPLD控制模塊組成。光電控制模塊包括紅外發光二極管和光敏三極管，它們固定在同一個對光基線的殼體上，殼體的內腔中裝有小鋼球，紅外發光二級管與光敏三極管之間形成光通路，小鋼球對光通路的打開與隔斷，實現了開關導通或者斷開［7］。為了降低倒置接電開關的功耗，紅外發光二極管靠CPLD控制模塊脈沖驅動。倒置接電開關的CPLD控制模塊主要由受光電耦合電路控制的脈沖電壓發生電路、延時上電控制信號發生電路、時鐘電路和電源管理電路組成。

倒置接電開關的原理框圖如圖1所示。圖中D1是紅外發光二極管，Q1是光敏三極管，IR是脈沖電壓信號，ID是光敏三極管的輸出信號，PON是延時上電控制信號，TEST是光發射－接收檢測信號。

圖1 微型脈沖供電式倒置接電開關原理框圖Fig.1 The theorical diagram of inversion connection switch

在測試試驗中存在倒置接電開關無法正常對測壓器進行上電的現象，因而需要對倒置接電開關進行大約17h近千次的模擬倒置開關試驗，測試倒置接電開關的信號參數。倒置接電開關的信號包括延時上電控制信號PON、光發射－接收檢測信號TEST和光敏三極管的輸出信號ID。

2 微型脈沖供電式倒置接電開關的可靠性試驗裝置

2.1 倒置接電開關可靠性試驗裝置的總體結構

倒置接電開關可靠性試驗裝置由小功率調速電機帶動安裝多個倒置接電開關的轉筒旋轉模擬倒置接電開關的工作情況。它由小功率電機、轉筒、倒置接電開關及電路模塊組成，其中倒置接電開關安裝在轉筒上的固定孔上。裝置的結構原理框圖如圖2所示。

圖2 試驗裝置的結構原理框圖Fig.2 The theorical diagram of the testing structure

2.2 倒置接電開關可靠性試驗裝置的電路模塊

電路模塊是倒置接電開關可靠性試驗裝置中的主體。它包括兩套子系統，分別由單片機和CPLD進行采集，之后存儲在外部閃存內，再傳輸到計算機進行分析處理。

2.2.1 開關延時上電控制信號PON測試電路和光發射－接收結構檢測信號TEST測試電路

PON和TEST信號的測試電路主要由單片機組、電源管理電路和外部閃存等組成，其采樣頻率為5MHz。其原理框圖如圖3所示。

圖3 PON和TEST信號測試電路原理框圖Fig.3 The theorical diagram of PON and TEST signal circuitry

2.2.2 光電控制模塊輸出信號ID測試電路

ID信號的測試電路由模擬調理電路、A／D轉換器、外部靜態存儲器、CPLD控制電路模塊、電源控制管理模塊組成，其采樣頻率為250MHz。其原理框圖如圖4所示。

圖4 信號ID測試電路原理框圖Fig.4 The theorical diagram of ID signal circuitry

3 實際測試

倒置接電開關的可靠性試驗裝置的測試通過數據分析軟件對倒置接電開關信號進行分析，從而驗證裝置的可行性。本文將倒置接電開關置于高溫（55℃）、常溫（20℃）、低溫（－40℃）環境下經過近千次倒置試驗。

3.1 開關延時上電控制信號PON測試

對于一個成功的倒置接電開關，信號PON波形占空比應是212.5／360，延時上電控制信號PON波形的雙游標圖及游標值的局部放大圖如圖5所示。

圖5 PON波形的雙游標圖及游標值Fig.5 Double cursor diagram and coordinate values of PON

在游標的數值中，X代表采樣的時間，Y代表A／D采樣轉換的電壓值，ΔX表示雙游標的橫坐標差值，ΔY表示雙游標的縱坐標差值。由圖5可知開關工作一周整個延時上電控制信號PON波形的時間Δx1是62.0s，高電平部分的時間 Δx2是36.4s點，占空比是 Δx2／Δx1＝0.587 1，和理論上的占空比0.590 3是相差很小，基本是一致的。

3.2 光發射－接收結構檢測信號TEST測試

對于一個成功的倒置接電開關，TEST信號波形的占空比都應是251.5／360。TEST波形的雙游標圖及游標值的局部放大圖如圖6所示。

圖6 TEST波形的雙游標圖及游標值Fig.6 Double cursor diagram and coordinate values of TEST

由圖6可知開關工作一周整個光發射－接收結構檢測信號TEST波形的時間Δx1是61s，信號TEST高電平部分的時間Δx2是43.2s，占空比是Δx2／Δx1＝0.708 2，和理論上的占空比0.698 6相差很小，基本是一致的。

3.3 光電控制模塊輸出信號ID測試

對于一個成功的倒置接電開關，光電控制模塊輸出信號ID高電平部分為122μs，其波形圖局部放大圖如圖7所示。

由圖7可以看出，信號ID波形高電平部分的時間是120μs，與理論值122μs相差無幾。

倒置接電開關試驗裝置一次可以測試7個倒置接電開關，經過984次的倒置試驗，測試信號數據綜合分析成功比率判斷如圖8所示。

通過對裝置的各個通道采集的檢測信號，綜合分析來看其成功率在95%以上，可以認為該裝置可以用于對倒置接電開關的檢測。但在測試過程中仍有約5%不成功，經分析，主要是由倒置接電開關與檢測系統未連接造成的。

圖7 ID的波形圖Fig.7 Oscillogram of PON

圖8 數據綜合分析成功比率判斷窗口Fig.8 Success rate window of analyzing and judging datas

4 結論

本文根據倒置接電開關的性能設計了倒置接電開關的可靠性試驗裝置。該裝置由小功率調速電機帶動多個倒置接電開關旋轉，測試電路包括兩套子系統，分別由單片機和CPLD進行采集，之后存儲在外部閃存內，再傳輸到計算機進行分析處理。測試與試驗表明：該裝置在高溫、常溫和低溫任意一個需要測試的環境中連續工作17h，滿足倒置接電開關各信號不同的采樣頻率，測試信號的參數與理論相符，驗證了倒置接電開關的可靠性，同時檢測倒置接電開關延時上電功能和紅外耦件耦合功能。但在該裝置中存在開關與檢測系統有未連接的情況而導致測試失敗，因而需要進一步改進。

［1］祖靜，張志杰，裴東興，等.新概念動態測試［J］.測試技術學報，2004（18）：52－53.ZU Jing，ZHANG Zhijie，PEI Dongxing，et al.New concept dynamic test［J］.Journal of test and Measurement Technology，2004（18）：52－53.

［2］張文棟.存儲測試系統的設計理論及其在導彈動態數據測試中的實現［D］.北京：北京理工大學，1995.

［3］祖靜，張文棟.電子測壓蛋［J］.兵工學報，1991（1）：65－69.ZU Jing，ZHANG Wendong.Electronic crusher gauge［J］.ACTA Armamentarii，1991（1）：65－69.

［4］張文棟.存儲測試系統的設計理論及其應用［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［5］常寬.倒置開關的研究［D］.太原：中北大學，2009.

［6］李新娥，原彥飛.一種重力開關的設計［J］.華北工學院測試技術學報，2001，15（2）：33－35.LI Xin＇e，YUAN Yanfei.The design of the gravity sensing switch［J］.Journal of Test and Measurement Technology in North China Polytechnic Institute，2001，15（2）：33－35.

［7］張小敏.放入式電子測壓器的調試、校準及可靠性設計［D］.太原：中北大學，2008.