??? 摘? 要: 針對高速飛行物的X光陰影照相所要求的提前觸發(fā)問題,設(shè)計了一套可自動根據(jù)物體飛行速度" title="飛行速度">飛行速度觸發(fā)X光機的智能延遲觸發(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,響應迅速,不存在響應時間的不確定區(qū)域,可保證X光機觸發(fā)時刻的準確。?

??? 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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??? 在彈道測量、高速飛行物碰撞實驗(如太空中的“垃圾”碎片對飛行的衛(wèi)星及飛行艙的損害研究所進行的實驗)及其它的類似實驗中,需要準確測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光機的觸發(fā)問題就顯得很重要。如果X光機提前觸發(fā)了,此時飛行物還未進入照相區(qū)域或者離碰撞區(qū)的距離還遠,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)不夠準確;如果X光機延遲過多觸發(fā),則無法獲得碰撞前的狀態(tài)參數(shù)。所以,X光機的觸發(fā)時刻必須準確才能保證獲得物體在希望位置處的X光陰影圖像,并且降低實驗成本。?

??? 基于這種對觸發(fā)時間的嚴格要求,用高速、大規(guī)模可編程數(shù)字電路設(shè)計了一套智能延遲觸發(fā)產(chǎn)生器,它具有工作速度高、電路延時小而確定的特點,在實驗中獲得了成功的應用。?

1 微型計算機處理的不足?

??? 按常理,用計算機來處理一些智能問題是非常合適的,也是常采用的方法,但在該類觸發(fā)系統(tǒng)中并不適用:首先,計算機根據(jù)預先測量到的飛行速度計算所需要的提前觸發(fā)時間是需要一定的軟件計算時間的。如果采用單片機系統(tǒng),則該計算時間可以長達幾十微秒,甚至更長;其次,微型計算機(即使是PC機)的I/O操作也需要微秒量級的時間,并且存在一定的抖動,這對于超高速飛行物的碰撞實驗來講是不能忍受的。從上述兩個方面來看,在該類系統(tǒng)中使用微型計算機系統(tǒng)來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光測量處之前,預先安放好的預測速系統(tǒng)可以探測到物體的大概飛行速度,并輸出速度對應信號V_TEST;同時啟動速度區(qū)間判斷電路,由其產(chǎn)生預先設(shè)計好的各種速度所對應的電信號(其高電平寬度對應速度大小),并與信號V_TEST進行符合,得到相對應速度的選擇信號V_i;由有效的V_i確定對應的速度所需的延遲觸發(fā)時間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寬度為1.00μs的觸發(fā)脈沖。該觸發(fā)脈沖即可用于X光機的觸發(fā)。?

3 飛行物預測速系統(tǒng)?

??? 該系統(tǒng)由前端的飛行物探測系統(tǒng)與后面的速度電信號處理電路組成。飛行物探測系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。圖中的探測器可以是激光—光電探測器(基于激光隔斷測速原理)或線圈探測器(基于磁測速原理),它們的放置間隔為L₁,當物體飛越探測器時,電路可輸出相對應的脈沖信號" title="脈沖信號">脈沖信號S₁和S₂,這兩個脈沖信號之間的時間T₁即為物體飛越距離L₁所用的時間,因此預測平均速度V₁為:?

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??? 由式(1)即可通過對時間T₁進行計數(shù)而判斷出彈丸的大致速度。由于L₁和L₂較小,可認為物體碰撞前的速度近似為V₁。因此,物體飛越距離L₂所需時間T₂也就是延遲觸發(fā)X光機的時間,可由下式得到:?

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4 速度預設(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區(qū)域;該電路由探測器D1的輸出信號啟動,同時產(chǎn)生所有速度區(qū)域的信號,并用預測速度門寬信號T₁與這些信號進行相與的操作,就可以選擇飛行速度所處的速度區(qū)間,并輸出一個速度選擇信號V_i給下級電路。?

??? 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)置相應的速度值。圖4顯示了獲取速度區(qū)間信號的處理過程。?

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5 速度區(qū)間選擇電路?

??? 此電路根據(jù)預測速度值完成速度區(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)間信號鎖存并保持而得到速度區(qū)間選擇信號V_i。圖5則顯示了獲取速度區(qū)間選擇信號V_i的處理過程。?

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6 延遲區(qū)間選擇電路?

??? 根據(jù)前面已確定的預測速度區(qū)間,本電路決定觸發(fā)脈沖的延遲時間,并經(jīng)觸發(fā)脈沖形成電路獲得一個寬度為1.00μs的輸出觸發(fā)脈沖。其信號處理原理如圖6所示,電路原理則如圖7所示。圖7中所示數(shù)值對為應于11.45km/s速度所需的延遲觸發(fā)時間數(shù)值。?

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7 仿真及實際測量結(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]來實現(xiàn)上述功能。首先用仿真軟件進行了電路編程和仿真。圖8顯示了在L₁=10.0cm和L₂=15.0cm條件下預測速度為4.156km/s時的仿真結(jié)果,其延遲時間為35.292μs。仿真結(jié)果與設(shè)計結(jié)果非常相符。?

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

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??? 從仿真結(jié)果及實測結(jié)果來看,該智能延遲觸發(fā)器的電路設(shè)計是成功的,結(jié)合實際測量要求所研制的智能延遲觸發(fā)器已成功地應用于高速碰撞實驗中。其原理性的電路已解決了智能延遲觸發(fā)原理的根本問題,因此速度細分在原則上不會帶來設(shè)計上的難度,僅是增加電路的規(guī)模而已。該電路的最大特點是以低成本的全硬件電路數(shù)字化地實現(xiàn)延遲觸發(fā)時間的選擇,預設(shè)置值改變方便、響應快,克服了用微處理器實現(xiàn)時存在的處理時間長、不穩(wěn)定等缺陷。?

參考文獻?

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