重接式電磁發(fā)射實(shí)驗(yàn)用脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)*

張飛龍，江 濤，路 平

（軍械工程學(xué)院 無(wú)人機(jī)工程系，河北 石家莊 050003）

電磁發(fā)射是將電磁能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，借助電磁力做功，推動(dòng)發(fā)射體前進(jìn)，典型應(yīng)用就是電磁炮。重接式電磁發(fā)射裝置（又稱重接炮）是近些年最為關(guān)注的電磁發(fā)射方式。多級(jí)重接炮需要按順序逐級(jí)將各電容器組的能量釋放給發(fā)射線圈，以實(shí)現(xiàn)彈丸的多級(jí)加速[1-3]。為了使這個(gè)過(guò)程協(xié)調(diào)地進(jìn)行，各級(jí)的順序控制成為關(guān)鍵，如圖1所示。

圖1 三級(jí)重接電磁發(fā)射裝置

1 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)電容放電控制脈沖產(chǎn)生電路，能夠產(chǎn)生多路序列脈沖信號(hào)，每一路脈沖信號(hào)控制一個(gè)模擬電子開關(guān)（圖 1 中的 S1、S2、S3……），從而控制電容是否放電。為了實(shí)現(xiàn)精確控制放電時(shí)機(jī)，要求脈沖寬度以及脈沖與相鄰的下一個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔（圖 2中的 t1、t2）精確可調(diào)，且后者精度應(yīng)達(dá)到微秒級(jí)。如圖2所示。

圖2 3路序列脈沖信號(hào)

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

2 電路設(shè)計(jì)方案

2.1 電路結(jié)構(gòu)

電路采用中規(guī)模集成芯片構(gòu)成的數(shù)字電路，其抗電磁干擾性強(qiáng)于編程功能的MCU系統(tǒng)。總體方案框圖如圖3所示。

圖3 3路序列脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路功能結(jié)構(gòu)圖

電路總體結(jié)構(gòu)分為：復(fù)位、脈沖產(chǎn)生、時(shí)鐘選通/封鎖、時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生、計(jì)數(shù)器等部分。

2.2 電路功能特點(diǎn)

為了防止上電誤觸發(fā)，電路設(shè)計(jì)成了上電復(fù)位，復(fù)位后，各部分電路輸出保持高電平或低電平不變。手動(dòng)復(fù)位為常開按鍵，按下后電路復(fù)位，達(dá)到隨時(shí)停止產(chǎn)生及復(fù)位序列脈沖的作用。電路復(fù)位后，選通電路保持關(guān)斷狀態(tài)，封鎖電路處于未封鎖狀態(tài)。

上電自動(dòng)復(fù)位后，電路進(jìn)入等待狀態(tài)，輸入啟動(dòng)信號(hào)（可手動(dòng)輸入或外接）后，電路檢測(cè)到啟動(dòng)信號(hào)上升沿的同時(shí)啟動(dòng)脈沖產(chǎn)生電路，產(chǎn)生第1路脈沖信號(hào)。脈沖寬度由產(chǎn)生電路自身參數(shù)決定，且脈寬可調(diào)。第1路脈沖信號(hào)結(jié)束的下降沿給計(jì)數(shù)器置初值并開啟選通電路，時(shí)鐘信號(hào)得以進(jìn)入計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器開始工作。計(jì)數(shù)器按設(shè)定長(zhǎng)度計(jì)數(shù)完畢后產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)的上升沿啟動(dòng)脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生第2路脈沖。同時(shí)利用該觸發(fā)信號(hào)的上升沿將封鎖電路封鎖，切斷時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)入計(jì)數(shù)器的通道，計(jì)數(shù)器停止工作。第2路脈沖再重復(fù)上述過(guò)程產(chǎn)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(lái)時(shí)使選通/封鎖電路可靠工作，避免干擾信號(hào)產(chǎn)生誤動(dòng)作，同時(shí)保證計(jì)數(shù)器各觸發(fā)器有足夠時(shí)間置初始值。

從上面工作原理和電路功能結(jié)構(gòu)圖可以看出，圖3中的可重復(fù)單元電路可以向后級(jí)聯(lián)構(gòu)成更多級(jí)的序列信號(hào)產(chǎn)生電路。由此可知，后路脈沖是由前路脈沖產(chǎn)生的，本路脈沖產(chǎn)生完畢后立即封鎖該部分電路，以免造成重復(fù)觸發(fā)。

這樣設(shè)計(jì)電路的好處是：（1）可以嚴(yán)格控制各電容組放電時(shí)序，防止放電無(wú)序失控使彈丸發(fā)射方向改變?cè)斐晌ｋU(xiǎn)；（2）在每一級(jí)電路中，時(shí)鐘選通/封鎖電路狀態(tài)改變且僅改變一次，狀態(tài)一旦改變，就不可能回到初態(tài)，確保電容組僅被放電一次，不會(huì)發(fā)生重復(fù)誤觸發(fā)；（3）電路在任何時(shí)刻僅有一個(gè)單元工作，其余處于保持狀態(tài)，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；（4）脈沖間隔時(shí)間精度及可調(diào)性依賴于時(shí)鐘精度及計(jì)數(shù)器等效容量，隨時(shí)可進(jìn)行調(diào)整，使用方便靈活。（5）電路可利用重復(fù)單元向后級(jí)聯(lián)構(gòu)成更多級(jí)的信號(hào)產(chǎn)生電路，擴(kuò)展性強(qiáng)，后部電路對(duì)前面電路工作狀態(tài)沒(méi)有影響。

2.3 復(fù)位原理電路

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

圖4 上電/手動(dòng)復(fù)位原理電路

2.4 時(shí)鐘選通/封鎖原理電路

時(shí)鐘選通/封鎖電路的主要功能是信號(hào)下降沿到來(lái)打開選通，上升沿到來(lái)封鎖電路，使時(shí)鐘信號(hào)能夠根據(jù)控制信號(hào)的下降（上升）沿順利通過(guò)（阻止）進(jìn)入計(jì)數(shù)器。為了避免重復(fù)觸發(fā)，選通/封鎖電路的狀態(tài)僅能被控制信號(hào)改變一次。原理電路如圖5所示。

圖5 時(shí)鐘選通/封鎖原理電路

2.5 脈沖產(chǎn)生原理電路

脈沖產(chǎn)生電路主要由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器[4]構(gòu)成，控制信號(hào)的上升沿（下降沿）控制單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束的同時(shí)，啟動(dòng)下一單元開始精確延時(shí)計(jì)數(shù)以觸發(fā)下一個(gè)脈沖信號(hào)。其原理電路如圖6所示。

圖6 脈沖產(chǎn)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(shí)間）的干擾信號(hào)，以防止脈沖誤觸發(fā)。

2.6 計(jì)數(shù)器原理圖

計(jì)數(shù)器是整個(gè)電路的重要部分，其工作的精度和可靠性直接關(guān)系到電容組放電的準(zhǔn)確性。因此電路設(shè)計(jì)有精確度在微秒級(jí)的時(shí)鐘產(chǎn)生電路[5]，同時(shí)為了便于隨時(shí)調(diào)整脈沖間隔時(shí)間，設(shè)計(jì)了BCD碼開關(guān)轉(zhuǎn)換電路，利用撥碼開關(guān)隨時(shí)調(diào)整計(jì)數(shù)器等效計(jì)數(shù)容量，間接控制計(jì)數(shù)時(shí)長(zhǎng)。其原理框圖如圖7所示。

圖7 計(jì)數(shù)器原理圖

3 波形測(cè)試及結(jié)論

制作了三路脈沖產(chǎn)生電路。由于實(shí)驗(yàn)室示波器只能同時(shí)顯示兩路信號(hào)，因此分別測(cè)試了 1～2路信號(hào)與2～3路信號(hào)之間的時(shí)間間隔，波形如圖8所示（Agilent MSO6102A示波器）。且兩脈沖間隔時(shí)間符合設(shè)計(jì)要求，表1所示為實(shí)驗(yàn)時(shí)的部分設(shè)定值與測(cè)試值（惠普HP53131測(cè)得，每組測(cè)3次后取均值）。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)計(jì)的脈沖產(chǎn)生電路符合預(yù)期精度，調(diào)整方便，可作為實(shí)驗(yàn)室重接式電磁發(fā)射電容組精確放電的控制電路。

圖8 1～2 路脈沖信號(hào)波形（50 μS/Div）

表1 脈沖間隔部分設(shè)定值與測(cè)試值

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

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

[3]柏興林，廖敏夫.三級(jí)重接炮點(diǎn)火控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].高壓電器，2005，41（5）：330-332.

[4]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2005.

[5]李哲英.電子技術(shù)及其應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2003.