重接式电磁发射实验用脉冲产生电路的设计*

张飞龙，江 涛，路 平

（军械工程学院 无人机工程系，河北 石家庄 050003）

电磁发射是将电磁能转化为动能，借助电磁力做功，推动发射体前进，典型应用就是电磁炮。重接式电磁发射装置（又称重接炮）是近些年最为关注的电磁发射方式。多级重接炮需要按顺序逐级将各电容器组的能量释放给发射线圈，以实现弹丸的多级加速[1-3]。为了使这个过程协调地进行，各级的顺序控制成为关键，如图1所示。

图1 三级重接电磁发射装置

1 设计要求

设计电容放电控制脉冲产生电路，能够产生多路序列脉冲信号，每一路脉冲信号控制一个模拟电子开关（图 1 中的 S1、S2、S3……），从而控制电容是否放电。为了实现精确控制放电时机，要求脉冲宽度以及脉冲与相邻的下一个脉冲之间的时间间隔（图 2中的 t1、t2）精确可调，且后者精度应达到微秒级。如图2所示。

图2 3路序列脉冲信号

由于高压电容放电瞬间产生巨大电流，会形成电弧释放大量电磁辐射。为了保证序列脉冲对电子开关控制的可靠性，尽量不使用MCU等微控制系统，以免程序因强电磁干扰而“跑飞”造成电容放电的无序失控。

2 电路设计方案

2.1 电路结构

电路采用中规模集成芯片构成的数字电路，其抗电磁干扰性强于编程功能的MCU系统。总体方案框图如图3所示。

图3 3路序列脉冲信号产生电路功能结构图

电路总体结构分为：复位、脉冲产生、时钟选通/封锁、时钟信号产生、计数器等部分。

2.2 电路功能特点

为了防止上电误触发，电路设计成了上电复位，复位后，各部分电路输出保持高电平或低电平不变。手动复位为常开按键，按下后电路复位，达到随时停止产生及复位序列脉冲的作用。电路复位后，选通电路保持关断状态，封锁电路处于未封锁状态。

上电自动复位后，电路进入等待状态，输入启动信号（可手动输入或外接）后，电路检测到启动信号上升沿的同时启动脉冲产生电路，产生第1路脉冲信号。脉冲宽度由产生电路自身参数决定，且脉宽可调。第1路脉冲信号结束的下降沿给计数器置初值并开启选通电路，时钟信号得以进入计数器，计数器开始工作。计数器按设定长度计数完毕后产生触发信号，触发信号的上升沿启动脉冲产生电路产生第2路脉冲。同时利用该触发信号的上升沿将封锁电路封锁，切断时钟信号进入计数器的通道，计数器停止工作。第2路脉冲再重复上述过程产生第3路脉冲……。保持电路的作用是保证上升沿（或下降沿）到来时使选通/封锁电路可靠工作，避免干扰信号产生误动作，同时保证计数器各触发器有足够时间置初始值。

从上面工作原理和电路功能结构图可以看出，图3中的可重复单元电路可以向后级联构成更多级的序列信号产生电路。由此可知，后路脉冲是由前路脉冲产生的，本路脉冲产生完毕后立即封锁该部分电路，以免造成重复触发。

这样设计电路的好处是：（1）可以严格控制各电容组放电时序，防止放电无序失控使弹丸发射方向改变造成危险；（2）在每一级电路中，时钟选通/封锁电路状态改变且仅改变一次，状态一旦改变，就不可能回到初态，确保电容组仅被放电一次，不会发生重复误触发；（3）电路在任何时刻仅有一个单元工作，其余处于保持状态，可靠性高，抗干扰能力强；（4）脉冲间隔时间精度及可调性依赖于时钟精度及计数器等效容量，随时可进行调整，使用方便灵活。（5）电路可利用重复单元向后级联构成更多级的信号产生电路，扩展性强，后部电路对前面电路工作状态没有影响。

2.3 复位原理电路

上电/手动复位原理电路如图4所示。K为常开按钮，按下手动复位；U1、U2的作用是整形。将复位信号接于各功能电路的置/复位端，使上电/手动复位后电路输出恒为高电平或低电平。

图4 上电/手动复位原理电路

2.4 时钟选通/封锁原理电路

时钟选通/封锁电路的主要功能是信号下降沿到来打开选通，上升沿到来封锁电路，使时钟信号能够根据控制信号的下降（上升）沿顺利通过（阻止）进入计数器。为了避免重复触发，选通/封锁电路的状态仅能被控制信号改变一次。原理电路如图5所示。

图5 时钟选通/封锁原理电路

2.5 脉冲产生原理电路

脉冲产生电路主要由单稳态触发器[4]构成，控制信号的上升沿（下降沿）控制单稳态触发器进入暂稳态。暂稳态结束的同时，启动下一单元开始精确延时计数以触发下一个脉冲信号。其原理电路如图6所示。

图6 脉冲产生原理电路

U1～U2n的作用是滤除脉宽小于 2nTpd（Tpd为门电路的传输延迟时间）的干扰信号，以防止脉冲误触发。

2.6 计数器原理图

计数器是整个电路的重要部分，其工作的精度和可靠性直接关系到电容组放电的准确性。因此电路设计有精确度在微秒级的时钟产生电路[5]，同时为了便于随时调整脉冲间隔时间，设计了BCD码开关转换电路，利用拨码开关随时调整计数器等效计数容量，间接控制计数时长。其原理框图如图7所示。

图7 计数器原理图

3 波形测试及结论

制作了三路脉冲产生电路。由于实验室示波器只能同时显示两路信号，因此分别测试了 1～2路信号与2～3路信号之间的时间间隔，波形如图8所示（Agilent MSO6102A示波器）。且两脉冲间隔时间符合设计要求，表1所示为实验时的部分设定值与测试值（惠普HP53131测得，每组测3次后取均值）。

从以上数据可以看出，设计的脉冲产生电路符合预期精度，调整方便，可作为实验室重接式电磁发射电容组精确放电的控制电路。

图8 1～2 路脉冲信号波形（50 μS/Div）

表1 脉冲间隔部分设定值与测试值

[1]周正阳，廖敏夫.多级磁力线重接炮的控制与速度测量[J].电工电能新技术，2007，26（2）：76-80.

[2]赵纯，邹积岩.一种多级式电磁发射系统的触发电路[J].电 工 电能新技术，2006，25（3）：77-80.

[3]柏兴林，廖敏夫.三级重接炮点火控制系统设计[J].高压电器，2005，41（5）：330-332.

[4]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005.

[5]李哲英.电子技术及其应用基础[M].北京：高等教育出版社，2003.