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智能延遲觸發產生器的設計
摘要：針對高速飛行物的Ｘ光陰影照相所要求的提前觸發問題，設計了一套可自動根據物體飛行速度觸發Ｘ光機的智能延遲觸發產生器。該產生器采用全數字電路工作，工作速度快，響應迅速，不存在響應時間的不確定區域，可保證Ｘ光機觸發時刻的準確。關鍵詞：可編程數字電路 Ｘ光陰影照相 智能延遲 觸發 CPLD
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，如速度、飛行姿態、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據。這樣在Ｘ光陰影照相技術中，有關Ｘ光機的觸發問題就顯得很重要。如果Ｘ光機提前觸發了，此時飛行物還未進入照相區域或者離碰撞區的距離還遠，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據不夠準確；如果Ｘ光機延遲過多觸發，則無法獲得碰撞前的狀態參數。所以，Ｘ光機的觸發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。
基于這種對觸發時間的嚴格要求，用高速、大規模可編程數字電路設計了一套智能延遲觸發產生器，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，但在該類觸發系統中并不適用：首先，計算機根據預先測量到的飛行速度計算所需要的提前觸發時間是需要一定的軟件計算時間的。如果采用單片機系統，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，在該類系統中使用微型計算機系統來完成所需的智能延遲觸發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 智能延遲觸發原理
智能延遲觸發產生器的原理框圖如圖１所示。
在物體飛臨Ｘ光測量處之前，預先安放好的預測速系統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；同時啟動速度區間判斷電路，由其產生預先設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Ｖｉ；由有效的Ｖｉ確定對應的速度所需的延遲觸發時間Ｐｉ，并經輸出觸發脈沖形成電路獲得一個寬度為１．００μｓ的觸發脈沖。該觸發脈沖即可用于Ｘ光機的觸發。
３ 飛行物預測速系統
該系統由前端的飛行物探測系統與后面的速度電信號處理電路組成。飛行物探測系統的構成如圖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：
Ｖ１＝L1/T1 （１）
由式（１）即可通過對時間Ｔ１進行計數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Ｘ光機的時間，可由下式得到：
Ｔ２＝L2/V1 （２）
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４ 速度預設電路
根據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域；該電路由探測器Ｄ１的輸出信號啟動，同時產生所有速度區域的信號，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間，并輸出一個速度選擇信號Ｖｉ給下級電路。
圖３是速
度設定的單元電路。該圖所示速度設定值為１１．３ｋｍ／ｓ（Ｌ１＝１０．０ｃｍ），改變圖中Ａ０～Ａ９（Ａ０～Ａ１５）的值，即可設置相應的速度值。圖４顯示了獲取速度區間信號的處理過程。
５ 速度區間選擇電路
此電路根據預測速度值完成速度區間的選擇，電路主要由數據鎖存器組成，Ｖ＿ＴＥＳＴ的下降沿將有效的速度區間信號鎖存并保持而得到速度區間選擇信號Ｖｉ。圖５則顯示了獲取速度區間選擇信號Ｖｉ的處理過程。
圖6和圖7
６ 延遲區間選擇電路
根據前面已確定的預測速度區間，本電路決定觸發脈沖的延遲時間，并經觸發脈沖形成電路獲得一個寬度為１．００μｓ的輸出觸發脈沖。其信號處理原理如圖６所示，電路原理則如圖７所示。圖７中所示數值對為應于１１．４５ｋｍ／ｓ速度所需的延遲觸發時間數值。
圖8 速度為4.156km/s時的仿真結果
７ 仿真及實際測量結果
利用Ｌａｔｔｉｃｅ公司的高速大規模在線可編程數字電路ｉｓｐＬＳＩ１０３２Ｅ－１２５?眼１?演來實現上述功能。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時的仿真結果，其延遲時間為３５．２９２μｓ。仿真結果與設計結果非常相符。
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器的功能符合設計要求。
從仿真結果及實測結果來看，該智能延遲觸發器的電路設計是成功的，結合實際測量要求所研制的智能延遲觸發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原理的根本問題，因此速度細分在原則上不會帶來設計上的難度，僅是增加電路的規模而已。該電路的最大特點是以低成本的全硬件電路數字化地實現延遲觸發時間的選擇，預設置值改變方便、響應快，克服了用微處理器實現時存在的處理時間長、不穩定等缺陷。
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