安 楊，強(qiáng)明輝，張盼盼，馬江峰

(1.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué)甘肅省工業(yè)過(guò)程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050；3.西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)模式的不斷發(fā)展，制導(dǎo)炮彈是一種可滿足未來(lái)信息化作戰(zhàn)需求的智能武器，其精確性已成為現(xiàn)代化武器的標(biāo)志之一。激光制導(dǎo)炮彈中采用的激光制導(dǎo)信號(hào)的脈寬為納秒量級(jí)的窄脈沖，重復(fù)頻率為千赫茲級(jí)，如果直接使用高速AD采集電路難以捕捉到窄脈沖的幅值，而且難以滿足后續(xù)轉(zhuǎn)換器件所需轉(zhuǎn)換時(shí)間的要求，因此需要設(shè)計(jì)對(duì)窄脈沖信號(hào)的峰值保持電路[1]。

現(xiàn)代測(cè)量領(lǐng)域經(jīng)常會(huì)用到峰值檢測(cè)設(shè)備，準(zhǔn)確且快速測(cè)量峰值對(duì)激光半主動(dòng)制導(dǎo)的研究具有極其重要的意義。傳統(tǒng)的峰值檢測(cè)電路往往不能及時(shí)檢測(cè)到其準(zhǔn)確值，而且存在跟隨性差、轉(zhuǎn)換速率慢、動(dòng)態(tài)范圍大、采集速率低、非線性較大、動(dòng)態(tài)范圍和通頻帶較小等不足[2]，本文針對(duì)此問(wèn)題提出了激光制導(dǎo)信號(hào)的跟隨保持電路。

1 電路原理

目前峰值保持電路常用放大器主要有兩種形式：電壓型和跨導(dǎo)型。電壓型峰值保持電路主要由電壓放大器(A)、保持電容(C)、峰值檢測(cè)二極管(D)和電壓緩沖器(B)組成，電路原理如圖1所示。對(duì)電壓型峰值保持電路而言,電壓放大器對(duì)輸入電壓Vin和輸出電壓Vout之間的電壓差進(jìn)行放大，輸出為電壓信號(hào)。若Vout小于Vin，則電壓放大器輸出的電壓信號(hào)通過(guò)二極管D對(duì)電容C充電，若Vout大于Vin，二極管截止，電容上的電壓保持不變[3]。

圖1 電壓型峰值保持原理Fig.1 Principle of voltage type peak hold

對(duì)于電壓型峰值保持電路，第一級(jí)放大器為電壓放大，信號(hào)從輸入到反饋有一定的回路時(shí)間，在到達(dá)峰值時(shí)，電容上電壓會(huì)在這段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)變化，從而產(chǎn)生過(guò)沖。由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)通常較大，過(guò)沖電流較大且為非線性。從頻域角度分析，二極管D和電容C組成的網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)極點(diǎn)，所以整個(gè)電路的通頻帶比較低，無(wú)法完成對(duì)高速窄脈沖信號(hào)的峰值保持[4]。電壓型峰值保持電路的主要特點(diǎn)：電路的基本原理簡(jiǎn)單，但是積分非線性大，響應(yīng)速度緩慢。

跨導(dǎo)型峰值保持電路結(jié)構(gòu)主要由跨導(dǎo)放大器(G)、保持電容(C)、恒流源、二極管(D)和電壓緩沖器(B)組成，電路原理如圖2所示[5-6]?？鐚?dǎo)放大器對(duì)輸入電壓Vin和輸出電壓Vout之間的電壓差進(jìn)行放大，輸出為電流信號(hào)。若Vout小于Vin，則跨導(dǎo)放大器輸出的電流信號(hào)通過(guò)二極管D對(duì)電容C充電，若Vout大于Vin，二極管不導(dǎo)通，電容C上的電壓維持不變。恒流源I的作用是為跨導(dǎo)放大器提供靜態(tài)回路[7-8]。

對(duì)于跨導(dǎo)型峰值保持電路，它將電壓輸入變?yōu)殡娏鬏敵觯?dāng)電容電壓達(dá)到峰值時(shí)，電流已經(jīng)趨于零，所以基本沒(méi)有過(guò)沖。該電路的頻率響應(yīng)只有一個(gè)極點(diǎn)。另外，跨導(dǎo)型放大器的第一轉(zhuǎn)折頻率容易高，輸出阻抗極大，其輸出電流可近似認(rèn)為與負(fù)載無(wú)關(guān)。 因此整個(gè)電路的通頻帶較高，且穩(wěn)定性好，適合快速處理窄脈沖信號(hào)?？鐚?dǎo)型峰值保持電路的主要特點(diǎn)：響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)范圍大和誤差小等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

圖2 跨導(dǎo)型峰值保持原理Fig.2 Principle of transconductance voltage peak hold

2 電路設(shè)計(jì)

由于需要達(dá)到激光半主動(dòng)制導(dǎo)脈沖信號(hào)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，峰值保持電路對(duì)輸入信號(hào)脈寬為300 ns、脈沖峰值為10 mV～1.8 V、周期50 ms的激光脈沖信號(hào)進(jìn)行跟隨保持，所得出的輸出信號(hào)脈寬達(dá)到1 ms之上，且輸出信號(hào)通道一致性達(dá)到90%以上，相對(duì)誤差處于3%～4%左右，且保持精度高。為了能應(yīng)用于體積較小的制導(dǎo)炮彈導(dǎo)引頭且能實(shí)現(xiàn)對(duì)高速窄脈沖信號(hào)的峰值保持，本文設(shè)計(jì)了一種跟隨與保持電壓型峰值保持電路，其思路遵循實(shí)用、快速、可靠的原則，在滿足性能指標(biāo)的前提下，保證峰值保持電路高可靠本質(zhì)。

2.1 跟隨與保持電路原理圖

為使跟隨保持電路的響應(yīng)速度較快，因此需要對(duì)二極管、放大器及電壓緩沖器有一定的參數(shù)要求，要求電壓緩沖器及放大器必須有足夠?qū)挾鹊膸?，且需要采用一種高速肖特基二極管。本文所設(shè)計(jì)的電路主要由高速二極管、MAX4212放大器、電壓緩沖器組成，電路原理如圖3所示。

跟隨保持電路可以通過(guò)R、C進(jìn)行窄脈沖寬度調(diào)節(jié)，所選用的MAX4212運(yùn)放為高速寬帶運(yùn)算放大器，其頻帶寬度為300 MHz-3 dB、電壓轉(zhuǎn)換速率為600 V/μs、增益的平穩(wěn)度處于50 MHz-0.1 dB、正常的工作溫度為-40～85 ℃、輸出驅(qū)動(dòng)約為±100 mA。因?yàn)槎O管響應(yīng)速度為幾百皮秒、反向漏電電流為微安量級(jí)，當(dāng)響應(yīng)速度需要達(dá)到幾個(gè)納秒時(shí)，對(duì)于保持電容而言，電容的量級(jí)為皮法級(jí)。

圖3 改進(jìn)型電壓型峰值保持電路Fig.3 Improved voltage peak hold circuit

2.2 跟隨保持電路分析

傳統(tǒng)峰值保持電路一般采用MAX4182運(yùn)放和1N94二極管，經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn)保持電路未達(dá)到峰值保持的基本目標(biāo)，其主要原因?yàn)槲磳?duì)窄脈沖進(jìn)行快速實(shí)時(shí)地跟隨，從而導(dǎo)致所需放大的波形與所采集的激光信號(hào)相位不一致[9-10]。為此本文對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，增加前一級(jí)跟隨電路，保證對(duì)窄脈沖相位進(jìn)行跟隨。該跟隨與保持電路主要由兩級(jí)電路構(gòu)成，第一級(jí)為信號(hào)跟隨電路，如圖1中的A級(jí)；第二級(jí)為信號(hào)保持電路，如圖1中的B級(jí)。第一級(jí)電路中的跟隨器利用運(yùn)放器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的跟隨，第二級(jí)電路主要利用二極管單向的導(dǎo)電性及電容充放電實(shí)現(xiàn)峰值保持。首先將納秒級(jí)的激光回波脈沖信號(hào)進(jìn)行展寬，達(dá)到微秒級(jí)左右的脈沖信號(hào)；其次將微秒級(jí)的信號(hào)進(jìn)行展寬，得到1 ms左右的脈沖寬度，其目的是對(duì)目標(biāo)激光點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的跟蹤[11-12]。

該積分電路一共由U3，D7，C2構(gòu)成，從而達(dá)到峰值保持的目的。輸入脈沖信號(hào)電壓Va上升時(shí)，二極管D7及放大器U3對(duì)電容C2進(jìn)行充電，使電容C2上的電壓UC2max基本與輸入電壓Uamax相等，保證峰值信號(hào)與輸入信號(hào)成線性的關(guān)系，同時(shí)提高電路處理小信號(hào)靈敏度的能力。輸入電壓Va

(1)

式(1)中，It為充電電流，T0為充電起始時(shí)刻，TC為充電時(shí)長(zhǎng)，C為充電電容值。

(2)

式(2)中，Z為二極管及峰值保持電容的等效阻抗和[14-15]。

3 仿真驗(yàn)證

本文采用Pspice仿真軟件，它是一款模擬電路仿真所需的軟件，具有強(qiáng)大的電路圖繪制功能、圖形后處理功能、電路模擬仿真功能、元器件符號(hào)制作功能，以圖形方式輸入，自動(dòng)進(jìn)行電路檢查，生成圖表，模擬和計(jì)算電路。軟件不僅適于做系統(tǒng)及電路級(jí)仿真，而且具有快速、操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)電路進(jìn)行仿真后得出一組時(shí)域仿真圖，如圖4所示。圖中測(cè)試點(diǎn)V1(U1:IN)記錄波形為將要進(jìn)行峰值保持的輸入信號(hào)，脈寬為300 ns、峰值為1.0 V。測(cè)試點(diǎn)V2(U2:OUT)記錄的為跟隨窄脈沖的波形，測(cè)試點(diǎn)V3(U4:OUT)記錄的波形為峰值經(jīng)過(guò)保持后的信號(hào)。

如時(shí)域仿真圖所示，改進(jìn)型峰值保持電路基本可以達(dá)到對(duì)窄脈沖信號(hào)的跟隨與保持，且保持效果良好。由圖4(a)可知，窄脈沖信號(hào)峰值為1.0 V、脈沖寬度300 ns，經(jīng)過(guò)跟隨與峰值保持后，可以達(dá)到指標(biāo)時(shí)長(zhǎng)10 ms；由圖4(b)可以看出保持后的信號(hào)幅值約為0.98 V，信號(hào)幅值衰減約2%且保持精度為98.0%，從時(shí)域仿真圖可以得出改進(jìn)型電壓型峰值保持電路基本可以達(dá)到技術(shù)指標(biāo)。

圖4 時(shí)域仿真圖Fig.4 Time domain simulation

通過(guò)仿真后發(fā)現(xiàn)電容及二極管參數(shù)的選取也會(huì)直接影響電路性能，若增大保持電容容值參數(shù)，則難以達(dá)到原有的峰值高度。相反，降低保持電容容值參數(shù)，則會(huì)降低保持時(shí)長(zhǎng)。對(duì)二極管選型時(shí)，要優(yōu)先選取反向漏電流、正向壓降、PN結(jié)等效結(jié)電容小的。

4 電路測(cè)試與分析

根據(jù)跟隨保持電路原理圖，不僅完成了實(shí)際電路及電路的測(cè)量，而且得出了信號(hào)波形和測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)波形如圖5所示，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。從圖5(a)中可以看出，輸入的窄脈沖信號(hào)峰值1.0 V、脈寬為300 ns；經(jīng)過(guò)第一級(jí)信號(hào)跟隨，從圖5(b)中可以看出，需要保持的信號(hào)(CH1)基本對(duì)窄脈沖信號(hào)(CH2)進(jìn)行了跟隨，波形沒(méi)有出現(xiàn)相位差和失真；經(jīng)過(guò)第二級(jí)電路峰值保持后，從圖5(c)中可以看出，信號(hào)幅值為0.97 V、脈寬為1 ms，保持精度誤差為0.97%，待峰值保持1 ms后，電路輸出恢復(fù)低電平，基本達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)目標(biāo)。因此，由以上電路及圖形所得出的測(cè)試結(jié)果可以基本說(shuō)明，改進(jìn)型電壓型峰值保持電路是可行的、正確的、穩(wěn)定的。

圖5 實(shí)測(cè)波形圖Fig.5 Measured waveform

根據(jù)表1脈沖信號(hào)輸入和輸出的測(cè)試結(jié)果，可以得出18組不同的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)果可以推算出脈沖最大輸出、最小輸出的誤差。脈沖測(cè)試次數(shù)和測(cè)試點(diǎn)數(shù)越多，對(duì)整個(gè)峰值保持電路精度的標(biāo)定結(jié)果就越可信，因此對(duì)18組輸出最小和最大誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)誤差數(shù)學(xué)分析。該峰值保持總精度的誤差按下式計(jì)算：

(3)

經(jīng)過(guò)計(jì)算后可以得出輸出最小標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.968，最大標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.973，誤差范圍基本滿足指標(biāo)，達(dá)到了窄脈沖峰值保持的功能。

在實(shí)際測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)二極管在開(kāi)斷時(shí)存在反向漏電流，具體實(shí)際電路如圖6所示，它的大小直接影響電路下垂速率；而且，二極管在正向?qū)ㄆ陂g，存在正向壓降，它的數(shù)值也對(duì)保持電壓產(chǎn)生影響。因此，應(yīng)選擇正向?qū)妷盒?、開(kāi)關(guān)速度快、恢復(fù)時(shí)間短以及結(jié)電容小的二極管。對(duì)于保持電容而言，要選取絕緣電阻和容值較大的，這樣不僅可以減緩電壓的下垂速率，而且增加響應(yīng)時(shí)間，從而達(dá)到峰值保持的功能。

表1 脈沖信號(hào)輸入、輸出及誤差測(cè)試結(jié)果

圖6 跟隨與保持實(shí)際電路Fig.6 Follows and maintains the actual circuit

5 結(jié)論

本文提出了激光制導(dǎo)信號(hào)的跟隨與保持電路，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、跟隨性良好、工作穩(wěn)定、性能完備、線性度好、響應(yīng)速度快、保持精度高，而且具有一定的通用性，為其他相關(guān)設(shè)計(jì)提供了參考，可廣泛應(yīng)用于各種激光制導(dǎo)武器。理論分析與仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，該電路可以實(shí)現(xiàn)將納秒級(jí)脈寬的激光信號(hào)進(jìn)行跟隨與峰值保持，總誤差不超過(guò)3%～4%，保持精度誤差為0.97%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。