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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)物體飛行速度觸發(fā)X光機(jī)的智能延遲觸發(fā)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(yīng)迅速,不存在響應(yīng)時間的不確定區(qū)域,可保證X光機(jī)觸發(fā)時刻的準(zhǔn)確｡ 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(wèi)星及飛行艙的損害研究所進(jìn)行的實驗)及其它的類似實驗中,需要準(zhǔn)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(jī)的觸發(fā)問題就顯得很重要｡如果X光機(jī)提前觸發(fā)了,此時飛行物還未進(jìn)入照相區(qū)域或者離碰撞區(qū)的距離還遠(yuǎn),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(zhǔn)確;如果X光機(jī)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(jī)的觸發(fā)時刻必須準(zhǔn)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(yán)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(yīng)用｡ 1 微型計算機(jī)處理的不足 按常理,用計算機(jī)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(jī)根據(jù)預(yù)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(jī)系統(tǒng),則該計算時間可以長達(dá)幾十微秒,甚至更長;其次,微型計算機(jī)(即使是PC機(jī))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(jī)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｡ 在物體飛臨X光測量處之前,預(yù)先安放好的預(yù)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(yīng)信號V_TEST;同時啟動速度區(qū)間判斷電路, 由其產(chǎn)生預(yù)先設(shè)計好的各種速度所對應(yīng)的電信號(其高電平寬度對應(yīng)速度大小),并與信號V_TEST進(jìn)行符合,得到相對應(yīng)速度的選擇信號Vi;由有效的Vi確定對應(yīng)的速度所需的延遲觸發(fā)時間Pi,并經(jīng)輸出觸發(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(jī)的觸發(fā)｡ 3 飛行物預(yù)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(dāng)物體飛越探測器時,電路可輸出相對應(yīng)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(yù)測平均速度V1為: V1=L1/T1 (1) 由式(1)即可通過對時間T1進(jìn)行計數(shù)而判斷出彈丸的大致速度｡由于L1和L2較小,可認(rèn)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(jī)的時間,可由下式得到: T2=L2/V1 (2) 4 速度預(yù)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(yù)測速度門寬信號T1與這些信號進(jìn)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Vi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(yīng)的速度值｡圖4顯示了獲取速度區(qū)間信號的處理過程｡ 5 速度區(qū)間選擇電路 此電路根據(jù)預(yù)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Vi｡圖5則顯示了獲取速度區(qū)間選擇信號Vi的處理過程｡ 圖6和圖7 6 延遲區(qū)間選擇電路 根據(jù)前面已確定的預(yù)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(yīng)于11.45km/s速度所需的延遲觸發(fā)時間數(shù)值｡ 圖8 速度為4.156km/s時的仿真結(jié)果 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?眼1?演來實現(xiàn)上述功能｡首先用仿真軟件進(jìn)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(yù)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｡ 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｡ 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(yīng)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(xì)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(yù)設(shè)置值改變方便､響應(yīng)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｡ |
