一種電磁脈沖同步觸發系統

王錦錦，王偉，聶鑫，郭帆，石躍武，孫蓓云，朱志臻，楊靜

（強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，西北核技術研究所，陜西西安，710024）

1 研究目的

電磁脈沖可以通過電纜、天線以及金屬屏蔽體上的縫隙和孔洞耦合進入電子系統，在電子器件的輸入和輸出端口上產生瞬態高電壓和大電流，使電路或器件功能暫時失效或使電子器件產生燒毀[1-4]。電磁脈沖效應實驗是對被試系統的模擬實驗，主要目的是評價和確認系統在EMP中的生存能力[5]。其在模擬器下開展，由模擬器產生輻射場環境，被試系統處于模擬器的工作區內，實驗中通過光纖傳輸鏈路測量被試系統內部的耦合場、感應電流或電壓等效應參數[6-9]，同時要監測系統內部可能出現的功能異常、失效故障等效應現象。

多路信號的同步觸發[10]是效應實驗測量被試系統內部耦合數據的重要 環節。通常使用示波器的外部觸發模式，將幾臺示波器的輔助輸入信號作為觸發源，同時連接到相同的輸入信號，控制多臺示波器完成多路信號的同步觸發。傳統解決方法采用功分器或示波器的輔助輸出通道觸發信號，控制多臺示波器的同步觸發。該種方法適合應用于需要測量的信號數量較少時，功分后信號可以滿足信號的觸發。但當示波器數量增加時，功分器產生的多路信號幅度和精度不能滿足示波器的觸發要求。還有一種方法是示波器的級聯觸發方法，使用泰克（Tektronix）示波器自帶的級聯觸發方式。將示波器的觸發輸出信號作為下一路示波器的觸發輸入信號。但這種級聯觸發方法可靠性較低，一旦中間一個示波器的觸發出現問題，后面的示波器將無法觸發。隨著電磁脈沖效應實驗測量規模的不斷增大，需要研制一種支持多臺示波器同步觸發的高精度高可靠同步觸發系統，用于解決電磁脈沖效應實驗的同步觸發問題，保證效應實驗測量工作的順利進行。該觸發系統由觸發信號測量系統、脈沖源信號發生[11-15]和一種觸發方法組成。觸發信號測量系統由探頭、固定裝置、支架、底座組成，用于采集不同位置和高度的觸發信號。采集到的觸發信號通過功分和脈沖信號發生器產生多路信號，用于多臺示波器的同步觸發。在本次方法中，以16臺示波器的同步觸發為例，使用2臺脈沖信號發生器產生16路觸發信號，完成了16臺泰克示波器的同步觸發。該方法還可以使用不同的脈沖信號發生器完成更多臺示波器的同步觸發，解決了多路電磁脈沖信號同步觸發的工程問題。

2 電磁脈沖效應實驗同步觸發系統與方法

電磁脈沖效應實驗同步觸發系統包括效應實驗觸發信號測量系統和電磁脈沖同步觸發方法。電磁脈沖效應實驗在模擬器[16-18]下開展，通過布放測點來獲取測量數據，示意圖如圖1所示。結合模擬器的場分布測量，在模擬器下計算選取電磁脈沖效應實驗觸發信號測量系統的測點布放位置，布放電磁脈沖效應實驗電場參數測量系統，獲取觸發信號。觸發信號通過場地光纖傳輸系統傳輸至光接收機，光接收機經過光電轉換后觸發信號傳輸至同步觸發裝置，光接收機經過光電轉換后將觸發信號傳輸至功分器，功分器將信號功分為兩路后，傳輸至兩臺脈沖信號發生器，兩臺脈沖信號發生器可以同步輸出16路同步觸發信號，控制1到16臺示波器的同步觸發。

圖1 電磁脈沖效應實驗同步觸發系統示意圖

2.1 效應實驗觸發信號測量系統

同步觸發系統中的效應實驗觸發信號測量系統主要測量同步觸發輸入信號。觸發信號的成功獲取是多臺示波器同步觸發的政要保證。觸發信號測量系統主要由探頭、固定裝置、支架、底座組成，如圖2所示。首先選取合適高度的支架3，將3與底座4進行組裝。再選取探頭固定裝置2固定電場探頭1，將固定好的探頭1的由固定裝置2安裝到支架3上，安裝高度和整個測量的系統的位置根據測量位置靈活選取。最后探頭1的輸出信號由光纖傳輸系統5傳輸至接收端。

圖2 觸發信號測量系統結構圖

為保證數據采集的可靠性，測量系統的布放位置通常在模擬裝置產生的電磁脈沖環境中計算選取。該觸發信號測量系統的設計結構，方便移動，可以應用于不同模擬裝置下，且觸發探頭的高度可以調節，測量范圍較大。底座和木桿的設計結構，使得底部增加了配重，不易應外力而發生傾斜或者跌倒，在戶外模擬器下實用性較強。

2.2 電磁脈沖同步觸發方法

2.2.1 同步觸發架構

傳統的觸發方式有功分觸發和級聯串聯同步觸發等。在功分觸發方法中，使用功分將1路觸發信號分為2路信號。將兩臺示波器的輔助輸入信號作為觸發源，分別連接功分后的2路輸入信號，示波器的另外四個通道分別連接待測信號，將兩臺示波器變為“8通道”示波器。但是這種觸發技術只能完成少數幾臺示波器的同步觸發，當功分路數增多時，功分后的觸發信號不能滿足示波器的觸發要求，僅適用于規模較小的實驗。

在級聯串聯同步觸發中，使用同步觸發裝置脈沖信號發生器，完成多路信號的同步觸發。首先將效應實驗觸發信號測量系統測得的信號接入功分器產生兩路觸發信號。再將這兩路信號分別接入脈沖信號發生器的外部觸發信號，如圖3所示。將1#示波器的輔助輸入信號作為觸發源，連接到觸發輸入信號，1#示波器的輔助輸出信號作為2#示波器的觸發輸入信號，示波器的另外四個通道分別連接待測信號，將兩臺示波器變為“8通道”示波器，將兩臺脈沖信號發生器連接到相同的輸入信號，采用單次觸發模式，當輸入信號滿足觸發信號的要求時，有16路觸發信號同步輸出，最大控制16臺示波器的同步觸發。這種方法可以實現對多臺示波器的同步觸發控制，并且具有高精度和高可靠性，因此在較大規模的電磁脈沖效應實驗中采用該種同步觸發架構。

圖3 同步觸發方法

2.2.2 脈沖信號發生器

在該種同步觸發方法中，同步觸發裝置的穩定性、延遲與精度對系統的同步觸發的影響較大。通過調研與分析，同步觸發系統中使用的同步觸發裝置為脈沖信號發生器Quantum composers9528。脈沖信號發生器Quantum composers 9528是多通道信號發生器，最大可以產生8路控制信號，如圖4所示。其輸出方式有手動控制、外部信號輸入控制等多種模式。在電磁脈沖效應實驗中，需要用到外部信號控制脈沖信號發生器產生同步觸發信號，Quantum composers 9528滿足該需求，且觸發電平、脈寬等技術指標均滿足電磁脈沖效應實驗的需求。同步觸發系統中的效應實驗觸發信號測量系統將采集到的同步觸發信號輸入同步觸發裝置。設置同步觸發為單次觸發模式，設置觸發電平，上邊沿觸發。使用示波器的外觸發方式，將觸發輸出信號作為示波器的外部觸發輸入信號，分別接入多臺示波器的外部觸發通道，同步觸發多臺示波器。被測信號分別接入示波器的4個通道，多臺示波器的同步觸發保證了多路信號的有效采集。

圖4 脈沖信號發生器

3 實驗結果與分析

為了驗證該觸發系統的穩定性，進行了上百次觸發實驗驗證。實驗結果表明，效應實驗觸發信號測量系統的成功采集率為100%，滿足了效應實驗同步觸發輸入信號的高可靠性和穩定性的要求。在采集到同步觸發信號后，脈沖信號發生器的觸發率也為100%。該系統可以穩定可靠的完成多臺示波器的同步觸發，保證了實驗數據的有效采集，提高了實驗效率。

4 結論

一種電磁脈沖效應實驗參數測量高精度同步觸發系統用于解決電磁脈沖效應實驗參數測量中多臺示波器的同步觸發問題。該系統包括一種電磁脈沖效應實驗觸發信號測量系統和一種觸發方法，最大可以控制16臺示波器的同步觸發，但不限于16臺示波器的同步觸發。該系統通過效應實驗觸發信號測量系統進行觸發信號的采集，當觸發信號采集完成后，將觸發信號功分后作為脈沖信號發生器的輸入信號，完成多臺示波器的同步采集。觸發信號測量點的選擇和整個系統延遲為是否可以正常觸發的關鍵。通過上百發次的實驗驗證，該同步觸發系統具有高可靠性和高穩定性，觸發成功率為100%，可以完成較大規模電磁脈沖效應實驗的同步觸發需求，解決了電磁脈沖測量領域同步觸發的工程問題。