錢禮華，孫 帥，申曉敏，劉保煒

(中國兵器工業(yè)試驗測試研究院，陜西 華陰 714200)

電子測時儀(以下簡稱測時儀)是靶場中非常重要的時間測試裝置，主要應(yīng)用于區(qū)截裝置(天幕靶、線圈靶、斷靶等)的時間測試，具有微秒級時間分辨率、體積小、可靠性高、使用方便等優(yōu)點。

目前，測時儀在某試驗基地的火箭橇速度測試和彈丸網(wǎng)靶速度測試中應(yīng)用最多。火箭橇試驗滑軌是當代一種高精度、高速度的大型地面動態(tài)模擬試驗設(shè)施。火箭橇最大速度可達音速和超音速;能夠承擔航空航天各項試驗以及及其他高科技工業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)試驗。在火箭橇斷靶測試中，電子測時儀根據(jù)區(qū)截測速原理，在火箭橇軌道上兩點綁上信號線，通過橇體運行時撞斷信號線，測量橇體經(jīng)過兩點時間，進而獲取橇體運行速度。但測時儀在火箭橇加電網(wǎng)處、安裝大發(fā)動機時，以及在網(wǎng)靶速度測試時，常出現(xiàn)計異常情況如“000000”和“000001”，無法獲得正確的試驗數(shù)據(jù)。因此本文對實際測時環(huán)境進行了分析，研制了抗強電磁干擾的測時儀。

1 計數(shù)異常時測試環(huán)境分析

1.1 加電網(wǎng)前速度測試

在火箭橇通過加電網(wǎng)時，橇體的金屬割刀和銅加電網(wǎng)接觸產(chǎn)生大量“火花”，繼而產(chǎn)生的電磁信號會通過綁在軌旁的信號線進入測時儀。此時測時儀雖然已經(jīng)完成計時，但強電磁信號首先使其進行復(fù)位并再次開始計數(shù)，由于電磁信號周期短從而使測時儀顯示“000001”或“000000”。測試環(huán)境示意圖如圖1 所示。

圖1 測試環(huán)境示意圖

1.2 多火箭發(fā)動機工作

在某些2 Ma 以上火箭橇試驗中，橇體上需要安裝4 枚以上發(fā)動機，此時在火箭橇滑軌正上方就安裝有發(fā)動機?；鸺吝\行時，發(fā)動機噴出的火焰就覆蓋在軌軌道上方。當火箭橇通過速度測試點時，火焰產(chǎn)生的電磁信號就會通過斷靶信號線進入測時儀，此時測時儀雖然已經(jīng)完成計時，但強電磁信號使其進行復(fù)位并再次開始計數(shù)，從而在測時儀顯示“000000”或“000001”。

1.3 滑靴產(chǎn)生的“火花”

通過高速攝影等設(shè)備可看到火箭橇在滑軌上高速運行時，滑靴和軌面摩擦處產(chǎn)生大量連續(xù)的“火花”。由于斷靶線靠滑靴切斷才觸發(fā)測時儀開始工作，滑靴摩擦產(chǎn)生的火花引起的強電磁干擾，嚴重影響著測時儀運行的穩(wěn)定性;而且火箭橇速度越高，對設(shè)備影響越大;因此當火箭橇速度達到800 m/s 以上時，經(jīng)常發(fā)生測時儀計數(shù)異常情況。

1.4 靶網(wǎng)速度測試

在彈丸速度測試中也常利用靶網(wǎng)進行，通常將一根很細的鍍銀銅絲往復(fù)纏繞在絕緣靶架上(其架設(shè)見圖2 所示)制作靶網(wǎng)。彈丸穿通過靶網(wǎng)時將鍍銀銅絲撞斷，通過信號調(diào)理電路產(chǎn)生啟動信號。

圖2 靶網(wǎng)示意圖

在彈丸速度較高并且銅絲表面未作涂漆處理時，彈丸接觸靶網(wǎng)時首先撞斷鍍銀銅絲，繼而通過靶網(wǎng)時會多次觸碰鍍銀銅絲，因為彈丸的金屬特性使靶網(wǎng)碰斷處又多次接通，因而會產(chǎn)生多個連續(xù)的啟動信號，此時測時儀也可能會出現(xiàn)計小數(shù)情況。

平衡炮口靶網(wǎng)速度測試時由于發(fā)射的彈丸直徑達到250 mm，發(fā)射時啟動信號的靶網(wǎng)由于場地條件，只能架設(shè)在炮口火焰覆蓋區(qū)域，測試時測時儀也常會出現(xiàn)計小數(shù)情況。

1.5 環(huán)境分析結(jié)論

通過在對以上多次測試異常情況進行分析，發(fā)現(xiàn)目前應(yīng)用的電子測時儀在設(shè)計時未考慮斷靶端口強電磁環(huán)境和信號連續(xù)多次觸發(fā)的測試環(huán)境。因此在本次設(shè)計中對以上兩點缺陷進行重點考慮。

2 電子測時儀設(shè)計

2.1 測時儀主要技術(shù)指標

通道數(shù):2 路，時間分辨率:1 μs，計時范圍:1 ～9999999 μs，工作時間:不小于4 h，供電方式:交流220 V 和直流12 V，抗電磁干擾:2 000 V。

2.2 總體設(shè)計

電子測時儀主要由斷靶信號隔離部分、電源、顯示及計時部分組成。電子測時儀信號連接關(guān)系如圖3 所示。斷靶1、斷靶2 通過隔離電源輸入信號，信號經(jīng)過調(diào)理和整形，觸發(fā)CPLD 進行時間測試，通過AVR 顯示部分將數(shù)據(jù)輸出。

圖3 系統(tǒng)連接示意圖

2.3 抗強電磁干擾設(shè)計

2.3.1 斷靶電源隔離和信號隔離設(shè)計

電路隔離的主要目的是通過隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達到抑制噪聲干擾的效果。采用了電路隔離的措施以后，絕大多數(shù)電路都能夠取得良好的抑制噪聲的效果，使設(shè)備符合電磁兼容性的要求。

電路隔離主要有:模擬電路的隔離、數(shù)字電路的隔離、數(shù)字電路與模擬電路之間的隔離。所使用的隔離方法有:變壓器隔離法、脈沖變壓器隔離法、繼電器隔離法、光電耦合器隔離法、直流電壓隔離法、線性隔離放大器隔離法、光纖隔離法、A/D 轉(zhuǎn)換器隔離法等。

光電耦合器件把發(fā)光器件和光敏器件組裝在一起，以光為媒介，實現(xiàn)輸入和輸出之間的電氣隔離。光電耦合是一種簡單有效的隔離技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)在于破壞了“地”干擾的傳播途徑，切斷了干擾信號進入后續(xù)電路的途徑，有效地抑制了尖脈沖和各種噪聲干擾。

TLP521 -2 光電耦合器是由兩個單獨的光電耦合器組成。一般來講，光電耦合器由一個發(fā)光二極管和一個光敏器件構(gòu)成。發(fā)光二極管的發(fā)光亮度L 與電流成正比，當電流增大到引起結(jié)溫升高時，發(fā)光二極管呈飽和狀態(tài)，不再在線性工作區(qū)。光電二極管的光電流與光照度的關(guān)系可用IL∝Eu表述。其中，E 為光照度，u =1 ±0.05，因此，光電流基本上隨照度而線性增大。但一般硅光電二極管的光電流是幾十微安，對于光敏三極管，由于其放大系數(shù)與集電極電流大小有關(guān)，小電流時，放大系數(shù)小，所以光敏三極管在低照度時靈敏度低，而在照度高時，光電流又呈飽和趨勢，達不到線性效果。

因為不同的光電耦合器有不同的工作線性區(qū)，所以，在試驗過程中，應(yīng)該首先找到光電耦合器的線性區(qū)。光電耦合器TLP521 -2 的電流線性區(qū)大約為1 ～10 mA。光電耦合器的偏置輸入電路可以決定輸入它的電流的范圍，偏置電路設(shè)計的好，可以使得輸入電流在很大范圍內(nèi)變化時，光電耦合器依然工作在線性區(qū)。

本電路設(shè)計采用光耦隔離電路，使被隔離的兩部分電路之間沒有電的直接連接，同時使隔離兩端分別采用不同的接地點。因此斷靶1 和斷靶2 分別需要獨立的隔離電源，設(shè)計時采用了2 只DC-DC 電源模塊，如圖4 中DC1 和DC2 分別產(chǎn)生了5V1 和5V2 兩路隔離電源。

如圖4 所示，實際測試中通過斷靶線將J1 中1 端和2 端接通時，T1 的8 端(內(nèi)部NPN 三極管的集電極端)輸出低電平，當火箭橇滑靴將斷靶線碰斷后，TLP521(T1)的8 端輸出高電平，這樣就將斷靶(通斷信號)轉(zhuǎn)換為上升沿信號。同理J1 中3 端和4 端的通斷也可在TLP521(T1)的6 端輸出上升沿信號。

2.3.2 信號整形電路設(shè)計

在圖4 中TLP521(T1)的6 端和8 端輸出的單次上升沿信號只是在理想情況下存在，實際火箭橇及網(wǎng)靶試驗中斷靶端可能產(chǎn)生在多次觸發(fā)信號，因此該信號需要經(jīng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對該上升沿信號進行整形，設(shè)計中采用74LS123 進行。如圖5 所示，利用R7、C1設(shè)計的定時電路，其時間常數(shù)R7×C1，為10 ms，有效的避免了多次觸發(fā)信號的產(chǎn)生。

2.4 計數(shù)電路設(shè)計

本次設(shè)計中計時分辨率為1 μs，計數(shù)值為9999999，因此設(shè)計24 位計數(shù)器能滿足實際需要，利用MAXplusⅡ設(shè)計的計數(shù)器如圖6 所示。

從圖6 中可看到，經(jīng)單穩(wěn)態(tài)調(diào)理后的啟動和停止兩路信號，經(jīng)過D 觸發(fā)器后再進入計數(shù)器。啟動信號輸入時利用D觸發(fā)器進行信號鎖存，D 觸發(fā)器即打開與門使時鐘脈沖進入計數(shù)器開始計數(shù)。當停止信號通過另一D 觸發(fā)器鎖存后輸出高電平，該高電平信號再經(jīng)一反相器后輸出低電平來關(guān)閉計數(shù)器，完成計數(shù)工作。

2.5 顯示電路設(shè)計

電子測時儀主要應(yīng)用于戶外，顯示的清晰度和亮度尤為重要。本次設(shè)計中采用8 位LED 數(shù)碼管進行顯示。由于計數(shù)器輸出的是24 位數(shù)字量，采用具有數(shù)字量接口的AVR 單片機讀取數(shù)據(jù)就較為方便，24 位計數(shù)值需要單片機3 次讀取才能完成。利用AVR 單片機設(shè)計的8 位數(shù)字顯示電路如圖7 所示。

圖4 斷靶及隔離電路

圖5 單穩(wěn)態(tài)電路

圖6 24 位計數(shù)器原理

圖7 AVR 單片機顯示原理

3 實驗室檢測

電子測時儀在實驗室中主要進行斷靶輸出、隔離功能、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)、顯示功能和計時精度檢測。

3.1 功能檢測

3.1.1 斷靶及隔離電路檢測

如圖4 中，將J1 中1 端和2 端通過一導(dǎo)線接通時，利用數(shù)字萬用表檢測T1 的8 端電壓，其應(yīng)為低電平(0.3 V 以下)，將該導(dǎo)線斷開時，T1 的8 端輸出可測到為高電平(4.5 V 以上);同理將J1 中3 端和4 端的從通到斷，在TLP521(T1)的6 端可測試到從低電平到高電平。以上兩點均達到時說明斷靶信號能通過光電耦合電路可靠傳輸。

3.1.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器檢測

將J1 中1 端和2 端通過一導(dǎo)線先接通并斷開時，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測如圖5 中74LS123 的13 端，其輸出一段時間高電平。同理將J1 中3 端和4 端通過一導(dǎo)線先接通并斷開時，74LS123 的5 端輸出信號波形也輸出一段時間高電平。高電平持續(xù)時間為R7×C1(時間常數(shù))，約10 ms。

3.1.3 顯示功能檢測

AVR 單片機作為顯示的核心控制器件，負責讀取數(shù)據(jù)、控制及驅(qū)動8 位LED 數(shù)碼管。檢測時，首先將顯示電路板單獨進行檢測，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測顯示切換的兩位端口，判斷其是否按照預(yù)設(shè)邏輯狀態(tài)輸出;因為數(shù)據(jù)端懸空，同時可看到顯示值為重復(fù)的3 段值。

3.2 精度檢測

電子測時儀計時分辨率為1 μs，計數(shù)值為99999999。其精度檢測時需要一臺能提供較高精度的信號源，通過電子測時儀和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時記錄信號輸出的值，既可對兩者計數(shù)值進行比較分析。

4 實際應(yīng)用

通過在多次火箭橇試驗，將該抗強電磁干擾的測時儀和DT-3 型電子測時儀進行實測對比，對其測時精度和可靠性均能滿足實際測試需求。實際使用情況如表1 所示。

表1 實際使用效果

5 結(jié)束語

抗強電磁干擾的測時儀在實際測試中進行了初步的應(yīng)用，其在火箭橇加電網(wǎng)處的測試可靠性得到極大提高，下一步可通過在網(wǎng)靶和平衡炮實際測試中進行可靠性驗證。

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