四通道电磁炮光电同步检测系统设计

贺星辰 杨录

(中北大学信息与通信工程学院电子测试技术国家重点实验室,山西 太原 030051)

四通道电磁炮光电同步检测系统设计

贺星辰 杨录

(中北大学信息与通信工程学院电子测试技术国家重点实验室,山西 太原 030051)

为了检测电磁炮连发炮弹时的炮体性能,需要提取其发炮时的同步触发信号,所以设计了一种四通道光电同步检测系统。该系统采用PIN型光电二极管BPW24R作为探测器,利用发炮时炮体对激光源光路阻断的方法,获取光信号并进行光电转换。电信号经去噪和放大后,生成脉宽1～4 ms间可调的TTL触发脉冲,并将四连发炮弹对应的脉冲信号分配到四个光电通道输出。试验结果表明,设计能够满足炮膛检测所需的灵敏度高、同步性能好、抗干扰能力强的要求。

光电转换 光电探测器 抗噪 锁存 同步脉冲

0 引言

随着半导体技术、微电子技术以及光学技术的迅速发展,光电检测技术已广泛应用于军事装备、工业生产、天文观测、医疗卫生等诸多领域[1-2]。某种电磁炮膛内的检测设备,可以对发炮时的各项性能指标进行分析,但是该设备需要设计一种系统前端,用来产生每发炮弹发射时对应的同步TTL电平脉冲信号,并可按发炮时产生脉冲的顺序分别对应各自通道输出,以便用于后续检测装置的控制。本系统完成了发炮时光信号的获取,光电信号转换、去噪、放大,同步脉冲的产生与整形,以及脉冲宽度调整等功能设计。此外,在电磁炮炮弹快速出膛过程中,通常在炮膛内部会产生多种干扰,主要是铝制弹体快速滑过铜制膛线时所产生的滑动光干扰、弹体通过膛口时产生的弧光干扰以及发炮后的烟幕干扰。这些干扰会影响发炮时同步触发脉冲的正常产生与计数输出,而且具有瞬时突发性和不可控性,一般情况下很难消除。对此,设计实现了一种触发锁存电路,采用双重触发锁存设计,使系统只对发炮时弹体的光电信号进行脉冲触发,达到了测试平台所需的抗噪要求。

1 光电检测原理与系统构成

1.1 光电检测原理

系统采用由PIN型光电二极管和高速集成运算放大器构成的光电转换电路。这种电路结构实际上是一个光电流信号到电压信号的转换器。PIN管相当于一个电流源,当它的负载阻抗为零时,它的输出特性最好。而理想的运放正、负输入端正好有“虚短”的特性,这正是选用运放来检测PIN管电流的原因[3]。光电信号检测原理如图1所示。

图1 光电信号检测原理图Fig.1 Schematic diagram of the photoelectric signal detection

PIN型光电二极管在反向偏置电压下工作,当其受到激光源的照射后,便将接收到的波长为λ的光信号转换成与之成比例的微弱电流信号。根据运算放大器“虚断”和“虚短”的特性,光电流通过电阻R2流入反馈回路,并在反馈电阻上产生一定压降,从而将电流信号转换为电压信号,即通过运放完成光电转换的过程[4]。如果在前级输出Uo再加一级正相电压增益放大器,则可以将前级输出的光电转换信号再进行放大处理。之后的信号被送入下一级脉冲生成电路,进行光电通道分配输出等其他后续处理。

1.2 光电同步系统构成

本光电测试系统的整体工作结构框图如图2所示。

图2 系统硬件结构框图Fig.2 Structure of the system hardware

系统硬件电路主要包括:光电二极管传感器BPW24R、双通道高速宽带运算放大器、高速轨到轨输出运算放大器、精密电压比较器、脉宽调整以及光电输出通道分配部分。

在光电传感器选择上,系统选用PIN型的BPW24R光电二极管。该硅光电二极管具有灵敏度高、响应速度快、击穿电压高等同类产品所不具备的优点。其暗电流仅为2 nA,最大反向偏压60 V,响应时间为1～15 ns,最大光电流60 μA,光谱带宽范围600～1 050 nm,适用于可见光及近红外光范围的光电检测。该二极管在较低的偏置电压下依然保持高速响应状态,可以应用于高速光电转换电路中。

系统在电磁炮口径两端安装一对激光源和光电二极管,正常情况下为光路直通状态。发炮时弹体通过膛口会阻挡光路,此时为光路阻挡状态。从有光到无光的变化由光电二极管产生要获取的光信号,经过光电转换即得到可以用来产生触发脉冲的电信号。系统产生的脉冲信号是根据电磁炮膛内四连发炮弹的发射顺序而定的。在第一发炮弹发射的同时,产生第一个TTL触发脉冲,并由四通道中的光电A通道输出。以此类推,第二、三、四发炮弹的脉冲信号可分别由光电B、C、D通道输出。如此便实现了每发炮弹触发信号的提取且按发射顺序分通道输出。四通道触发脉冲信号产生的时序关系如图3所示。

图3 光电四通道触发脉冲输出时序关系图Fig.3 The sequencing of the output of photoelectric four-channel trigger pulses

2 系统电路设计

2.1 光电转换模块

在前端电路设计中,首先要对光电二极管的电流信号进行光电转换。这里利用高速宽带集成运放设计了一个跨阻放大器,将前端的电流信号转换为电压信号,然后再将电压信号放大[5]。为了避免干扰噪声对光电信号的影响,在光电转换与电压增益放大这两级之间加入了一级截止频率为10 MHz的低通滤波器,由高速集成运算放大器U2组成。光电转换及低通滤波去噪电路如图4所示。

图4 光电转换及低通滤波去噪电路Fig.4 Photoelectric conversion and LPF denoising circuit

光电转换与电压放大电路主要由集成运算放大器U1构成。其中,利用U1A设计一个跨阻放大器,将光电二极管反向工作时产生的反向电流信号通过跨导放大器转换为电压信号,信号由管脚1输出。利用U1B组成电压反馈型正相放大器,对前级光电信号进一步放大处理,信号由管脚7输出。

在运放参数的设置上,前级跨阻放大器的反馈电阻RF可以选择较大阻值。这样既有利于信噪比的改善,也提高了光电转换的转换系数[6]。反馈电容CF选择在几皮法范围内。CF的作用是降低高频噪声影响和消除电路中产生的自激振荡。电路在运放的同相输入端串联电阻RA2,用来消除运放的偏置电流造成的偏压误差(包括由温度引入的偏置电流漂移的影响)。通常该电阻的取值与反馈电阻相同。由于引入电阻RA2后相应地会引入热噪声,所以通常可在电阻两端并联电容CA16,用来减小噪声频带。运放前后各级之间通过若干电阻耦合,进行阻抗匹配[7]。

反馈电阻RF的计算公式为:

式中:ZT为总的跨阻抗增益;CD为反向偏置时二极管电容;GBP为放大电路的增益带宽积。

反馈电容CF的计算公式为:

式中:CD为反向偏置时二极管电容;RF为反馈电阻;GBP为放大电路的增益带宽积。

跨导放大器通频带截止频率f-3dB由下式算出:

式中:GBP为放大电路的增益带宽积;CD为反向偏置时二极管电容;ZT为总的跨阻抗增益。

2.2 光电信号噪声处理

一般情况下,PIN型光电二极管在反向偏置工作状态下有暗电流存在,会产生热噪声、散粒噪声等多种噪声干扰。运算放大器会因输入失调电压和失调电流的存在而引入一定的噪声,而且跨阻放大器的反馈电容会引入一定的干扰[8-9]。这样在后级电路中,噪声信号与光电信号会被同时放大数百倍。对此,系统采用了两种处理方法。一是将光电二极管连接至运算放大器之间的导线使用金属网屏蔽线代替,尽量将外界其他电磁干扰屏蔽。二是光电转换与电压增益放大电路之间,加入一级二阶巴特沃斯低通滤波器。试验调试测得的干扰噪声为兆赫兹级的随机信号,故设计低通滤波器的截止频率为10 MHz。设计中选用巴特沃斯滤波器,除了符合本电路参数要求外,还因为与其他类型的滤波器相比,该滤波器在通频带内频率响应特性曲线最为平滑。而且二阶滤波器的阻频带内下降曲线较为快速,滤波效果较好[10]。这样便可基本消除噪声的影响,避免了噪声的二次放大,从而可以将稳定、纯净的电压信号送入后一级电路处理。

2.3 TTL同步触发脉冲产生电路

经过前端电路的光电转换、放大之后,根据设计要求,要产生发炮时的同步触发脉冲,并能对其他干扰光进行抗噪处理。输出的整形脉冲要求电平为0和5 V的TTL正脉冲,其脉宽可在1～4 ms之间可调。

为了实现上述要求,这里利用了一种快速(45 ns)、精密电压比较器AD790,其具有丰富多样的功能特性,且易于使用。它可以根据事先设定好的阈值电平进行电平比较,可以输出设定好的逻辑TTL电平,完成对脉冲电平的整形。此外,AD790还具有锁存功能,因而适合对外界干扰较多的场合。该器件可以采用+5 V单电源或±15 V双电源供电,本文设计在双电源模式下。它拥有处理输入引脚上最大15 V差分电压的独特能力,从而可以简化与大幅度动态信号的接口。为保持速度和精度性能,该器件整合了“低突波”输出级,不会出现TTL或CMOS输出级常有的大电流尖峰。

除了利用AD790内部具有触发锁存功能外,这里还设计了一种利用双精密单稳态触发器74HC4538的非重触发模式来实现干扰信号锁存。即实现对外部光路干扰的双触发锁存功能,进一步增强了系统抗干扰能力。

TTL脉冲产生电路和3 ms脉冲锁存电路分别如图5、图6所示。

在炮膛未发射的情况下,信号放大后输出的直流电平要高于比较器正相端设定的阈值电平,所以比较器输出TTL为0。当有炮弹发射而阻挡光路时,输出的直流电平产生下降沿拉低,低于比较器的阈值电平,所以比较器输出TTL为+5 V。即每当发炮时,AD790完成对前级电压信号的整形,产生一个TTL逻辑电平的正脉冲信号。但是在实际测试中,由于AD790对阈值附近的电平变化相当敏感,会出现脉冲电平不断跳转抖动的情况。所以在AD790的正相反馈回路附加了一个迟滞比较器。文中设置的阈值电平为0.9 V,迟滞比较器的回馈系数为0.09,门限宽度为0.45 V,很好地解决了电平抖动的问题[8]。

图5 TTL脉冲产生及锁存抗噪电路Fig.5 TTL pulse generation and latch anti-noise circuit

图6 3 ms锁存信号产生电路Fig.6 3 ms latch signal generation circuit

2.4 光电通道分配与脉冲宽度调整

系统可以将膛内四连发炮弹提取出的同步触发脉冲信号按发射顺序分四个通道单独输出,便于后级系统分检控制其他设备。光电四通道分配电路由双二进制加法计数器74HC4520和3-8译码器74HC138构成,如图7所示。

由图7可知,当第一发炮弹发射后,由AD790的管脚1输出触发电平信号U1,U1接入74HC4520的CLK1端。由真值表可知,触发1Q0脚产生高电平脉冲信号TQ0,1Q1、1Q2脚保持低电平不变,3-8译码器输入端电平由C到A依次为001,译码后由输出低电平分配信号Y1N。至此即实现了第一发炮弹的触发脉冲对应光电A通道输出的分配功能。以此类推,第二、三、四发炮弹的脉冲输出分别对应光电B、C、D通道。当第四发炮弹发射完毕后,由于1Q2端与CLR1互连,计数被复位清零,重新计数,等待下一组炮弹发射。

图7 光电通道分配电路Fig.7 Photoelectric channel distribution circuit

为完成对四通道各触发脉冲信号的脉宽可调,设计了一个基于双精密单稳态触发器74HC4538的脉宽调整电路。四通道的脉宽调整分别由两片74HC4538构成,第一片控制光电A、B通道,第二片控制光电C、D通道。电路如图8所示。

图8 四通道输出脉冲宽度调整电路Fig.8 Four-channel output pulse width adjustment circuit

以光电A通道为例进行说明。当第一发炮弹的触发信号产生后,74HC138的输出端信号Y1N产生一个脉冲下降沿。由其功能表可知,Q2端即输出一个正脉冲信号,其脉宽由可调电阻WE2、电阻RE2、电容CE5决定。其余三个通道的工作原理与第一通道相同。

3 试验测试与结果

测试选用半导体激光二极管作激光源。该二极管具有体积小、结构简单、寿命长等优点,使用方便,无需额外附加高压电源。系统测试中,选取光电信号转换后的增益放大信号和TTL同步触发脉冲输出信号进行比较与分析。

在测试结果中,经增益放大后的电压信号增益变化明显,低通滤波效果较好,但输出波形不规整、有毛刺,存在负电平偏置,故不是TTL脉冲电平,需要后级AD790电路的整形处理。

当激光源光路受炮体出膛阻挡,即系统由有光状态变为无光状态时,光电放大器的输出电平由高电平变为低电平,再经比较器AD790进行电平比较后翻转,则输出一个TTL上升沿触发脉冲信号。光电放大器输出端和比较器输出端的电平变化如图9所示。

图9 光电放大信号与比较器脉冲输出对比Fig.9 Comparison of the photoelectric amplifying signal and comparator pulse output

从图9所示的波形图可以看出,经过比较器后,脉冲的波形规整,无负电压偏置,且没有受到干扰光信号的影响,输出为TTL电平的触发正脉冲。

4 结束语

通过对该光电同步系统的试验测试,系统可以根据设计要求将光电信号转换、去噪、放大,并依据炮弹连发的顺序同步产生相应的TTL脉冲信号。利用电压比较器和单稳触发器设计的双触发锁存功能,完成了对发炮时其他光干扰信号的抗噪处理。经实际工业测试,系统完全满足电磁炮测试场的应用条件。

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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

山西省自然科学基金资助项目(编号:2012011010-1)。

修改稿收到日期:2014-02-17。

贺星辰(1988-),男,现为中北大学电子与通信工程专业在读硕士研究生;主要从事信号检测及处理方向的研究。