四通道電磁炮光電同步檢測系統設計

賀星辰 楊錄

(中北大學信息與通信工程學院電子測試技術國家重點實驗室,山西 太原 030051)

四通道電磁炮光電同步檢測系統設計

賀星辰 楊錄

(中北大學信息與通信工程學院電子測試技術國家重點實驗室,山西 太原 030051)

為了檢測電磁炮連發炮彈時的炮體性能,需要提取其發炮時的同步觸發信號,所以設計了一種四通道光電同步檢測系統。該系統采用PIN型光電二極管BPW24R作為探測器,利用發炮時炮體對激光源光路阻斷的方法,獲取光信號并進行光電轉換。電信號經去噪和放大后,生成脈寬1～4 ms間可調的TTL觸發脈沖,并將四連發炮彈對應的脈沖信號分配到四個光電通道輸出。試驗結果表明,設計能夠滿足炮膛檢測所需的靈敏度高、同步性能好、抗干擾能力強的要求。

光電轉換 光電探測器 抗噪 鎖存 同步脈沖

0 引言

隨著半導體技術、微電子技術以及光學技術的迅速發展,光電檢測技術已廣泛應用于軍事裝備、工業生產、天文觀測、醫療衛生等諸多領域[1-2]。某種電磁炮膛內的檢測設備,可以對發炮時的各項性能指標進行分析,但是該設備需要設計一種系統前端,用來產生每發炮彈發射時對應的同步TTL電平脈沖信號,并可按發炮時產生脈沖的順序分別對應各自通道輸出,以便用于后續檢測裝置的控制。本系統完成了發炮時光信號的獲取,光電信號轉換、去噪、放大,同步脈沖的產生與整形,以及脈沖寬度調整等功能設計。此外,在電磁炮炮彈快速出膛過程中,通常在炮膛內部會產生多種干擾,主要是鋁制彈體快速滑過銅制膛線時所產生的滑動光干擾、彈體通過膛口時產生的弧光干擾以及發炮后的煙幕干擾。這些干擾會影響發炮時同步觸發脈沖的正常產生與計數輸出,而且具有瞬時突發性和不可控性,一般情況下很難消除。對此,設計實現了一種觸發鎖存電路,采用雙重觸發鎖存設計,使系統只對發炮時彈體的光電信號進行脈沖觸發,達到了測試平臺所需的抗噪要求。

1 光電檢測原理與系統構成

1.1 光電檢測原理

系統采用由PIN型光電二極管和高速集成運算放大器構成的光電轉換電路。這種電路結構實際上是一個光電流信號到電壓信號的轉換器。PIN管相當于一個電流源,當它的負載阻抗為零時,它的輸出特性最好。而理想的運放正、負輸入端正好有“虛短”的特性,這正是選用運放來檢測PIN管電流的原因[3]。光電信號檢測原理如圖1所示。

圖1 光電信號檢測原理圖Fig.1 Schematic diagram of the photoelectric signal detection

PIN型光電二極管在反向偏置電壓下工作,當其受到激光源的照射后,便將接收到的波長為λ的光信號轉換成與之成比例的微弱電流信號。根據運算放大器“虛斷”和“虛短”的特性,光電流通過電阻R2流入反饋回路,并在反饋電阻上產生一定壓降,從而將電流信號轉換為電壓信號,即通過運放完成光電轉換的過程[4]。如果在前級輸出Uo再加一級正相電壓增益放大器,則可以將前級輸出的光電轉換信號再進行放大處理。之后的信號被送入下一級脈沖生成電路,進行光電通道分配輸出等其他后續處理。

1.2 光電同步系統構成

本光電測試系統的整體工作結構框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件結構框圖Fig.2 Structure of the system hardware

系統硬件電路主要包括:光電二極管傳感器BPW24R、雙通道高速寬帶運算放大器、高速軌到軌輸出運算放大器、精密電壓比較器、脈寬調整以及光電輸出通道分配部分。

在光電傳感器選擇上,系統選用PIN型的BPW24R光電二極管。該硅光電二極管具有靈敏度高、響應速度快、擊穿電壓高等同類產品所不具備的優點。其暗電流僅為2 nA,最大反向偏壓60 V,響應時間為1～15 ns,最大光電流60 μA,光譜帶寬范圍600～1 050 nm,適用于可見光及近紅外光范圍的光電檢測。該二極管在較低的偏置電壓下依然保持高速響應狀態,可以應用于高速光電轉換電路中。

系統在電磁炮口徑兩端安裝一對激光源和光電二極管,正常情況下為光路直通狀態。發炮時彈體通過膛口會阻擋光路,此時為光路阻擋狀態。從有光到無光的變化由光電二極管產生要獲取的光信號,經過光電轉換即得到可以用來產生觸發脈沖的電信號。系統產生的脈沖信號是根據電磁炮膛內四連發炮彈的發射順序而定的。在第一發炮彈發射的同時,產生第一個TTL觸發脈沖,并由四通道中的光電A通道輸出。以此類推,第二、三、四發炮彈的脈沖信號可分別由光電B、C、D通道輸出。如此便實現了每發炮彈觸發信號的提取且按發射順序分通道輸出。四通道觸發脈沖信號產生的時序關系如圖3所示。

圖3 光電四通道觸發脈沖輸出時序關系圖Fig.3 The sequencing of the output of photoelectric four-channel trigger pulses

2 系統電路設計

2.1 光電轉換模塊

在前端電路設計中,首先要對光電二極管的電流信號進行光電轉換。這里利用高速寬帶集成運放設計了一個跨阻放大器,將前端的電流信號轉換為電壓信號,然后再將電壓信號放大[5]。為了避免干擾噪聲對光電信號的影響,在光電轉換與電壓增益放大這兩級之間加入了一級截止頻率為10 MHz的低通濾波器,由高速集成運算放大器U2組成。光電轉換及低通濾波去噪電路如圖4所示。

圖4 光電轉換及低通濾波去噪電路Fig.4 Photoelectric conversion and LPF denoising circuit

光電轉換與電壓放大電路主要由集成運算放大器U1構成。其中,利用U1A設計一個跨阻放大器,將光電二極管反向工作時產生的反向電流信號通過跨導放大器轉換為電壓信號,信號由管腳1輸出。利用U1B組成電壓反饋型正相放大器,對前級光電信號進一步放大處理,信號由管腳7輸出。

在運放參數的設置上,前級跨阻放大器的反饋電阻RF可以選擇較大阻值。這樣既有利于信噪比的改善,也提高了光電轉換的轉換系數[6]。反饋電容CF選擇在幾皮法范圍內。CF的作用是降低高頻噪聲影響和消除電路中產生的自激振蕩。電路在運放的同相輸入端串聯電阻RA2,用來消除運放的偏置電流造成的偏壓誤差(包括由溫度引入的偏置電流漂移的影響)。通常該電阻的取值與反饋電阻相同。由于引入電阻RA2后相應地會引入熱噪聲,所以通常可在電阻兩端并聯電容CA16,用來減小噪聲頻帶。運放前后各級之間通過若干電阻耦合,進行阻抗匹配[7]。

反饋電阻RF的計算公式為:

式中:ZT為總的跨阻抗增益;CD為反向偏置時二極管電容;GBP為放大電路的增益帶寬積。

反饋電容CF的計算公式為:

式中:CD為反向偏置時二極管電容;RF為反饋電阻;GBP為放大電路的增益帶寬積。

跨導放大器通頻帶截止頻率f-3dB由下式算出:

式中:GBP為放大電路的增益帶寬積;CD為反向偏置時二極管電容;ZT為總的跨阻抗增益。

2.2 光電信號噪聲處理

一般情況下,PIN型光電二極管在反向偏置工作狀態下有暗電流存在,會產生熱噪聲、散粒噪聲等多種噪聲干擾。運算放大器會因輸入失調電壓和失調電流的存在而引入一定的噪聲,而且跨阻放大器的反饋電容會引入一定的干擾[8-9]。這樣在后級電路中,噪聲信號與光電信號會被同時放大數百倍。對此,系統采用了兩種處理方法。一是將光電二極管連接至運算放大器之間的導線使用金屬網屏蔽線代替,盡量將外界其他電磁干擾屏蔽。二是光電轉換與電壓增益放大電路之間,加入一級二階巴特沃斯低通濾波器。試驗調試測得的干擾噪聲為兆赫茲級的隨機信號,故設計低通濾波器的截止頻率為10 MHz。設計中選用巴特沃斯濾波器,除了符合本電路參數要求外,還因為與其他類型的濾波器相比,該濾波器在通頻帶內頻率響應特性曲線最為平滑。而且二階濾波器的阻頻帶內下降曲線較為快速,濾波效果較好[10]。這樣便可基本消除噪聲的影響,避免了噪聲的二次放大,從而可以將穩定、純凈的電壓信號送入后一級電路處理。

2.3 TTL同步觸發脈沖產生電路

經過前端電路的光電轉換、放大之后,根據設計要求,要產生發炮時的同步觸發脈沖,并能對其他干擾光進行抗噪處理。輸出的整形脈沖要求電平為0和5 V的TTL正脈沖,其脈寬可在1～4 ms之間可調。

為了實現上述要求,這里利用了一種快速(45 ns)、精密電壓比較器AD790,其具有豐富多樣的功能特性,且易于使用。它可以根據事先設定好的閾值電平進行電平比較,可以輸出設定好的邏輯TTL電平,完成對脈沖電平的整形。此外,AD790還具有鎖存功能,因而適合對外界干擾較多的場合。該器件可以采用+5 V單電源或±15 V雙電源供電,本文設計在雙電源模式下。它擁有處理輸入引腳上最大15 V差分電壓的獨特能力,從而可以簡化與大幅度動態信號的接口。為保持速度和精度性能,該器件整合了“低突波”輸出級,不會出現TTL或CMOS輸出級常有的大電流尖峰。

除了利用AD790內部具有觸發鎖存功能外,這里還設計了一種利用雙精密單穩態觸發器74HC4538的非重觸發模式來實現干擾信號鎖存。即實現對外部光路干擾的雙觸發鎖存功能,進一步增強了系統抗干擾能力。

TTL脈沖產生電路和3 ms脈沖鎖存電路分別如圖5、圖6所示。

在炮膛未發射的情況下,信號放大后輸出的直流電平要高于比較器正相端設定的閾值電平,所以比較器輸出TTL為0。當有炮彈發射而阻擋光路時,輸出的直流電平產生下降沿拉低,低于比較器的閾值電平,所以比較器輸出TTL為+5 V。即每當發炮時,AD790完成對前級電壓信號的整形,產生一個TTL邏輯電平的正脈沖信號。但是在實際測試中,由于AD790對閾值附近的電平變化相當敏感,會出現脈沖電平不斷跳轉抖動的情況。所以在AD790的正相反饋回路附加了一個遲滯比較器。文中設置的閾值電平為0.9 V,遲滯比較器的回饋系數為0.09,門限寬度為0.45 V,很好地解決了電平抖動的問題[8]。

圖5 TTL脈沖產生及鎖存抗噪電路Fig.5 TTL pulse generation and latch anti-noise circuit

圖6 3 ms鎖存信號產生電路Fig.6 3 ms latch signal generation circuit

2.4 光電通道分配與脈沖寬度調整

系統可以將膛內四連發炮彈提取出的同步觸發脈沖信號按發射順序分四個通道單獨輸出,便于后級系統分檢控制其他設備。光電四通道分配電路由雙二進制加法計數器74HC4520和3-8譯碼器74HC138構成,如圖7所示。

由圖7可知,當第一發炮彈發射后,由AD790的管腳1輸出觸發電平信號U1,U1接入74HC4520的CLK1端。由真值表可知,觸發1Q0腳產生高電平脈沖信號TQ0,1Q1、1Q2腳保持低電平不變,3-8譯碼器輸入端電平由C到A依次為001,譯碼后由輸出低電平分配信號Y1N。至此即實現了第一發炮彈的觸發脈沖對應光電A通道輸出的分配功能。以此類推,第二、三、四發炮彈的脈沖輸出分別對應光電B、C、D通道。當第四發炮彈發射完畢后,由于1Q2端與CLR1互連,計數被復位清零,重新計數,等待下一組炮彈發射。

圖7 光電通道分配電路Fig.7 Photoelectric channel distribution circuit

為完成對四通道各觸發脈沖信號的脈寬可調,設計了一個基于雙精密單穩態觸發器74HC4538的脈寬調整電路。四通道的脈寬調整分別由兩片74HC4538構成,第一片控制光電A、B通道,第二片控制光電C、D通道。電路如圖8所示。

圖8 四通道輸出脈沖寬度調整電路Fig.8 Four-channel output pulse width adjustment circuit

以光電A通道為例進行說明。當第一發炮彈的觸發信號產生后,74HC138的輸出端信號Y1N產生一個脈沖下降沿。由其功能表可知,Q2端即輸出一個正脈沖信號,其脈寬由可調電阻WE2、電阻RE2、電容CE5決定。其余三個通道的工作原理與第一通道相同。

3 試驗測試與結果

測試選用半導體激光二極管作激光源。該二極管具有體積小、結構簡單、壽命長等優點,使用方便,無需額外附加高壓電源。系統測試中,選取光電信號轉換后的增益放大信號和TTL同步觸發脈沖輸出信號進行比較與分析。

在測試結果中,經增益放大后的電壓信號增益變化明顯,低通濾波效果較好,但輸出波形不規整、有毛刺,存在負電平偏置,故不是TTL脈沖電平,需要后級AD790電路的整形處理。

當激光源光路受炮體出膛阻擋,即系統由有光狀態變為無光狀態時,光電放大器的輸出電平由高電平變為低電平,再經比較器AD790進行電平比較后翻轉,則輸出一個TTL上升沿觸發脈沖信號。光電放大器輸出端和比較器輸出端的電平變化如圖9所示。

圖9 光電放大信號與比較器脈沖輸出對比Fig.9 Comparison of the photoelectric amplifying signal and comparator pulse output

從圖9所示的波形圖可以看出,經過比較器后,脈沖的波形規整,無負電壓偏置,且沒有受到干擾光信號的影響,輸出為TTL電平的觸發正脈沖。

4 結束語

通過對該光電同步系統的試驗測試,系統可以根據設計要求將光電信號轉換、去噪、放大,并依據炮彈連發的順序同步產生相應的TTL脈沖信號。利用電壓比較器和單穩觸發器設計的雙觸發鎖存功能,完成了對發炮時其他光干擾信號的抗噪處理。經實際工業測試,系統完全滿足電磁炮測試場的應用條件。

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Design of the Four-channel Photoelectric Synchronous Detection System for EM Gun

In order to detect the performance of the gun body when the EM gun bursts shells,it is necessary to extract the synchronous trigging signals for running fire,thus the four-channel photoelectric synchronous detection system has been designed.In the system,the PIN photoelectric diode BPW24R is used as the detector,when the gun is running fire,the gun body is blocking the laser path,the optical signal is obtained and photoelectric conversion is conducted.After de-noising and amplifying,the electric signal generates TTL trigger pulse with width adjustable between 1～4 ms,and the pulse signals corresponding four bursting shells are distributed to four of the photoelectric output channels. The result of experiments shows that the design meets the requirements for gun bore detection,e.g.,high sensitivity,good synchronous performance,and strong anti-interference capability.

Photoelectric conversion Photoelectric detector Anti-noise Latch Synchronous pulse

TN247

A

山西省自然科學基金資助項目(編號:2012011010-1)。

修改稿收到日期:2014-02-17。

賀星辰(1988-),男,現為中北大學電子與通信工程專業在讀碩士研究生;主要從事信號檢測及處理方向的研究。