重接式電磁發射實驗用脈沖產生電路的設計*

張飛龍，江 濤，路 平

（軍械工程學院 無人機工程系，河北 石家莊 050003）

電磁發射是將電磁能轉化為動能，借助電磁力做功，推動發射體前進，典型應用就是電磁炮。重接式電磁發射裝置（又稱重接炮）是近些年最為關注的電磁發射方式。多級重接炮需要按順序逐級將各電容器組的能量釋放給發射線圈，以實現彈丸的多級加速[1-3]。為了使這個過程協調地進行，各級的順序控制成為關鍵，如圖1所示。

圖1 三級重接電磁發射裝置

1 設計要求

設計電容放電控制脈沖產生電路，能夠產生多路序列脈沖信號，每一路脈沖信號控制一個模擬電子開關（圖 1 中的 S1、S2、S3……），從而控制電容是否放電。為了實現精確控制放電時機，要求脈沖寬度以及脈沖與相鄰的下一個脈沖之間的時間間隔（圖 2中的 t1、t2）精確可調，且后者精度應達到微秒級。如圖2所示。

圖2 3路序列脈沖信號

由于高壓電容放電瞬間產生巨大電流，會形成電弧釋放大量電磁輻射。為了保證序列脈沖對電子開關控制的可靠性，盡量不使用MCU等微控制系統，以免程序因強電磁干擾而“跑飛”造成電容放電的無序失控。

2 電路設計方案

2.1 電路結構

電路采用中規模集成芯片構成的數字電路，其抗電磁干擾性強于編程功能的MCU系統。總體方案框圖如圖3所示。

圖3 3路序列脈沖信號產生電路功能結構圖

電路總體結構分為：復位、脈沖產生、時鐘選通/封鎖、時鐘信號產生、計數器等部分。

2.2 電路功能特點

為了防止上電誤觸發，電路設計成了上電復位，復位后，各部分電路輸出保持高電平或低電平不變。手動復位為常開按鍵，按下后電路復位，達到隨時停止產生及復位序列脈沖的作用。電路復位后，選通電路保持關斷狀態，封鎖電路處于未封鎖狀態。

上電自動復位后，電路進入等待狀態，輸入啟動信號（可手動輸入或外接）后，電路檢測到啟動信號上升沿的同時啟動脈沖產生電路，產生第1路脈沖信號。脈沖寬度由產生電路自身參數決定，且脈寬可調。第1路脈沖信號結束的下降沿給計數器置初值并開啟選通電路，時鐘信號得以進入計數器，計數器開始工作。計數器按設定長度計數完畢后產生觸發信號，觸發信號的上升沿啟動脈沖產生電路產生第2路脈沖。同時利用該觸發信號的上升沿將封鎖電路封鎖，切斷時鐘信號進入計數器的通道，計數器停止工作。第2路脈沖再重復上述過程產生第3路脈沖……。保持電路的作用是保證上升沿（或下降沿）到來時使選通/封鎖電路可靠工作，避免干擾信號產生誤動作，同時保證計數器各觸發器有足夠時間置初始值。

從上面工作原理和電路功能結構圖可以看出，圖3中的可重復單元電路可以向后級聯構成更多級的序列信號產生電路。由此可知，后路脈沖是由前路脈沖產生的，本路脈沖產生完畢后立即封鎖該部分電路，以免造成重復觸發。

這樣設計電路的好處是：（1）可以嚴格控制各電容組放電時序，防止放電無序失控使彈丸發射方向改變造成危險；（2）在每一級電路中，時鐘選通/封鎖電路狀態改變且僅改變一次，狀態一旦改變，就不可能回到初態，確保電容組僅被放電一次，不會發生重復誤觸發；（3）電路在任何時刻僅有一個單元工作，其余處于保持狀態，可靠性高，抗干擾能力強；（4）脈沖間隔時間精度及可調性依賴于時鐘精度及計數器等效容量，隨時可進行調整，使用方便靈活。（5）電路可利用重復單元向后級聯構成更多級的信號產生電路，擴展性強，后部電路對前面電路工作狀態沒有影響。

2.3 復位原理電路

上電/手動復位原理電路如圖4所示。K為常開按鈕，按下手動復位；U1、U2的作用是整形。將復位信號接于各功能電路的置/復位端，使上電/手動復位后電路輸出恒為高電平或低電平。

圖4 上電/手動復位原理電路

2.4 時鐘選通/封鎖原理電路

時鐘選通/封鎖電路的主要功能是信號下降沿到來打開選通，上升沿到來封鎖電路，使時鐘信號能夠根據控制信號的下降（上升）沿順利通過（阻止）進入計數器。為了避免重復觸發，選通/封鎖電路的狀態僅能被控制信號改變一次。原理電路如圖5所示。

圖5 時鐘選通/封鎖原理電路

2.5 脈沖產生原理電路

脈沖產生電路主要由單穩態觸發器[4]構成，控制信號的上升沿（下降沿）控制單穩態觸發器進入暫穩態。暫穩態結束的同時，啟動下一單元開始精確延時計數以觸發下一個脈沖信號。其原理電路如圖6所示。

圖6 脈沖產生原理電路

U1～U2n的作用是濾除脈寬小于 2nTpd（Tpd為門電路的傳輸延遲時間）的干擾信號，以防止脈沖誤觸發。

2.6 計數器原理圖

計數器是整個電路的重要部分，其工作的精度和可靠性直接關系到電容組放電的準確性。因此電路設計有精確度在微秒級的時鐘產生電路[5]，同時為了便于隨時調整脈沖間隔時間，設計了BCD碼開關轉換電路，利用撥碼開關隨時調整計數器等效計數容量，間接控制計數時長。其原理框圖如圖7所示。

圖7 計數器原理圖

3 波形測試及結論

制作了三路脈沖產生電路。由于實驗室示波器只能同時顯示兩路信號，因此分別測試了 1～2路信號與2～3路信號之間的時間間隔，波形如圖8所示（Agilent MSO6102A示波器）。且兩脈沖間隔時間符合設計要求，表1所示為實驗時的部分設定值與測試值（惠普HP53131測得，每組測3次后取均值）。

從以上數據可以看出，設計的脈沖產生電路符合預期精度，調整方便，可作為實驗室重接式電磁發射電容組精確放電的控制電路。

圖8 1～2 路脈沖信號波形（50 μS/Div）

表1 脈沖間隔部分設定值與測試值

[1]周正陽，廖敏夫.多級磁力線重接炮的控制與速度測量[J].電工電能新技術，2007，26（2）：76-80.

[2]趙純，鄒積巖.一種多級式電磁發射系統的觸發電路[J].電 工 電能新技術，2006，25（3）：77-80.

[3]柏興林，廖敏夫.三級重接炮點火控制系統設計[J].高壓電器，2005，41（5）：330-332.

[4]閻石.數字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2005.

[5]李哲英.電子技術及其應用基礎[M].北京：高等教育出版社，2003.