亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        32通道高速一體化測時儀研制

        2017-07-18 11:24:38王廣軍
        中國測試 2017年4期
        關鍵詞:計時脈沖儀器

        吳 鏑,王廣軍,周 青

        (1.成都勝英測控技術有限公司,四川 成都 610051;2.中國工程物理研究院流體物理研究所,四川 綿陽 621900)

        32通道高速一體化測時儀研制

        吳 鏑1,王廣軍2,周 青1

        (1.成都勝英測控技術有限公司,四川 成都 610051;2.中國工程物理研究院流體物理研究所,四川 綿陽 621900)

        基于分布式-嵌入式技術,研制一種集成激勵源、測量一體化全數(shù)字測時儀器,在信號檢測中采用測量回路電流的方法,有效地解決測量過程中的多種干擾問題。該測時儀器將激勵源、信號處理、記錄、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ懿考耆稍谝慌_儀器中,較好地保證信號完整性和系統(tǒng)的方便易用性能,實現(xiàn)32個完全隔離的測試通道、測時范圍100ns~2s、分辨力3.3ns、不確定度優(yōu)于±7ns的指標,為爆炸外場試驗中實現(xiàn)信號抗干擾,增強信號完整性、可信度,縮短測試準備時間等提供有效的技術支撐。

        測時儀;分布式-嵌入式系統(tǒng);激勵-測量一體化;爆轟電離;通斷靶

        0 引 言

        大型戰(zhàn)斗部和巨型火炮試驗中,常用通斷靶來測量彈丸或破片的速度[1-3];在爆轟測試中,也常用放置系列電探針的方法來測量其電離等離子體的導通時間,從而獲得爆轟速度[4-6]。通斷靶或電探針均是無源裝置,需要額外的激勵源對其進行激勵,以產(chǎn)生電信號。在這些外場試驗中,掩體距離測量靶位大都在200~400m位置,多點測量時激勵源需要埋設大量相應長度的測試線纜,不僅布線耗時費力,且過長的電纜會引入較強的干擾,導致測量的精度很難保證,成為能否實現(xiàn)準確測時的主要障礙。電纜引入的干擾信號主要來自兩方面:1)通斷靶或電探針的天線效應、分布參數(shù)效應,傳輸線的長線效應等;2)來自由于各通道間的電壓、電流相互影響的通道串擾[7]。目前采取的多種消除干擾的方法,如硬件設計中的抗干擾措施、濾波,軟件后處理中的模式識別等,處理結(jié)果都不夠理想。本文針對上述問題,采用檢測通斷靶或電探針電流信號,提高被測信號的信噪比;通過獨立隔離升壓技術實現(xiàn)了通道間相互完全隔離;提高采樣速率到300MS/s,實現(xiàn)高精度測時。將激勵源、信號采集、數(shù)據(jù)通信、系統(tǒng)電源等集成為一體可以有效縮短埋設測量電纜的長度,以盡量降低干擾的影響。

        1 設計原理

        采用通斷靶或電探針測試脈沖時間的原理是彈丸觸靶/爆轟產(chǎn)生電離體時使其導通,然后用儀器獲取導通脈沖的時間信息。

        1.1 信號取樣方式比較

        在傳統(tǒng)的信號取樣方法中,一般采取在取樣電阻上采集其兩端電壓的方法,如圖1所示。在本文設計中,采取了對通斷靶中電流進行取樣的方法,如圖2所示。圖2中虛線右側(cè)為在儀器內(nèi)部的電路,其中R為限流電阻,保護高速光耦。

        圖1 傳統(tǒng)信號取樣方法

        圖2 本文設計的信號取樣方法

        網(wǎng)靶的兩種電路模型如圖3所示??紤]分布參數(shù)電路模型下電壓取樣與電流取樣的比較如圖4所示。

        圖3 網(wǎng)靶和彈丸的電路模型

        圖4 分布參數(shù)電路模型下電壓取樣與電流取樣的比較

        可以直觀地看到,電流取樣的波形明顯比電壓取樣的波形波動幅度小且收斂更快。從網(wǎng)靶到測時儀這段電纜的信號傳輸而言,疊加在電流信號上的噪聲紋波比疊加在電壓信號的噪聲紋波明顯降低,有效地提高了信噪比,從而在抗干擾能力上具有優(yōu)勢,這與傳感器中廣泛采用的4~20mA電流環(huán)的方法原理一致[8-9]。

        由于多個網(wǎng)靶的物理結(jié)構(gòu)、尺寸基本相同,因而其電磁共振引起的干擾即天線效應不可忽視。對于網(wǎng)靶而言,其結(jié)構(gòu)在算其輻射強度時可等效為環(huán)形天線,輻射強度計算公式為

        式中:E——電場強度,V/m;

        f——電流頻率,MHz;

        S——環(huán)天線面積,m2;

        I——電流強度,A;

        r——發(fā)射與接收點之間的距離,m。

        在電壓取樣方法中,為提高有效信號識別度,往往在網(wǎng)靶兩端施加較高的電壓(如150V),而取樣電阻一般取得較?。?0~1000Ω,通常采用 50Ω),所以彈丸觸靶時的環(huán)路電流在數(shù)百毫安培乃至數(shù)安培的數(shù)量級。

        而在電流取樣的方法中,高速光耦的導通電流僅需數(shù)毫安培。由此可以得出結(jié)論,在不改變其他因素的情況下,根據(jù)式(1),兩種信號取樣方式產(chǎn)生的輻射干擾電場差異可達數(shù)十倍乃至百倍以上,即30~40dB。

        綜合上述兩種信號取樣方式的比較,在分布參數(shù)影響、電纜傳輸?shù)拈L線效應、天線效應等方面,電流取樣都比電壓取樣方式有明顯的優(yōu)勢。

        1.2 多通道間的隔離設計與實現(xiàn)

        在爆炸外場試驗中,經(jīng)常需要測量爆心不同距離處的信號,測量多個測點的數(shù)據(jù),所以多個測試通道的設計是十分必要的。多通道設計的關鍵是多通道的實現(xiàn)與通道之間的隔離。

        通道間的串擾信號主要通過激勵源與信號采集模塊傳播,為了實現(xiàn)隔離多通道的集成設計,達到抑制通道間串擾的目的,必須將各通道激勵源之間、信號采集電路之間完全隔離。

        在隔離激勵源設計中,本方案采取的是獨立隔離升壓的方法,每一通道采用一個彼此隔離的激勵源,一方面實現(xiàn)通道間的隔離,另一方面實現(xiàn)每一通道與本機電源的隔離。采用DC/DC芯片將系統(tǒng)直流電源變?yōu)殚_關脈沖,經(jīng)隔離變壓器和整流、濾波電路及穩(wěn)壓電路提供激勵。激勵電壓為10V,電流驅(qū)動能力大于20mA。DC/DC采用了LTC公司的LT8300芯片,具有獨特的隔離穩(wěn)壓功能,輸出紋波小于10mV。

        在信號隔離處理中,采用高速光電耦合器將檢測到的網(wǎng)靶通斷電流脈沖信號隔離耦合至高速A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。經(jīng)過這樣的處理,實現(xiàn)了各通道的網(wǎng)靶通斷脈沖信號在電氣上完全隔離,這樣可以將轉(zhuǎn)換后的各數(shù)字信號送至同一個FPGA中做嵌入式算法處理。單一通道的隔離激勵-信號檢測模塊示意圖見圖5。

        通過上述兩方面的設計處理,實現(xiàn)了各通道間的完全隔離。

        轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號在FPGA中用嵌入式算法處理:計算提取上升、下降沿,然后計算出脈沖信息,如圖6所示。這些算法在FPGA中實時處理,處理后的脈沖信息存入DDR RAM中[10-12]。

        圖5 單一通道的隔離激勵-信號檢測模塊示意圖

        圖6 脈沖波形及脈沖信息提取

        1.3 電源管理

        在集成儀器設計中,一個突出的重點和難點是電源管理。因為在系統(tǒng)電路中,存在多組電源軌:MCU、FPGA、存儲器、TCP/IP模塊、激勵——測量模塊等,它們的工作電壓在1.2~10 V不等;此外,本機需驅(qū)動32路隔離升壓電路,開關機過程中系統(tǒng)上電、掉電的瞬態(tài)電流變化很大,可達數(shù)十安培[13]。

        針對開關機的瞬態(tài)過程,用上電順序管理電路來管理整機的上電過程,使各模塊順序上電,有效地降低了上電瞬態(tài)電流,將其降至3A左右,降低了上電過程對元器件的沖擊,提高了儀器的MTBF(平均無故障時間)。在掉電時,其掉電順序與上電時相反。針對本儀器中的多組電源軌,大量使用DC-DC技術。DC-DC技術帶來的問題是噪聲較大,易對精密測量電路帶來影響。對此采用開關頻率達2MHz的開關電源IC,同時對其開關電路進行補償,消除開關電路的寄生震蕩從而去除開關波形的尖峰與紋波,如圖7所示,降低了其開關信號的頻譜寬度,從而降低其噪聲。DC-DC電路的噪聲從平均50mVp-p降至10mVp-p左右,有效地抑制了電源干擾。此外,對敏感區(qū)域加裝鐵磁屏蔽罩,進一步改善其抗干擾能力。

        1.4 高采樣頻率的設計

        為實現(xiàn)高速、高精度的脈沖時間測量,采用FPGA自身的PLL鎖相環(huán),對石英晶體的40MHz時鐘倍頻,在FPGA內(nèi)部產(chǎn)生300MHz的時鐘,以該時鐘對脈沖信息進行判讀。將設計計時的時鐘頻率從目前業(yè)界多采用10MS/s以下的采樣頻率提高到300MS/s。

        在300 MHz時鐘下工作的電路要求較高,采用了4層印刷電路板,BGA封裝的FPGA、DDR RAM,同時PCB設計時嚴格進行時序、信號完整性仿真驗證,實現(xiàn)了電路的穩(wěn)定性工作。

        圖7 DC/DC補償前后開關波形比較

        2 系統(tǒng)構(gòu)成

        系統(tǒng)由激勵——信號檢測模塊、FPGA——存儲器模塊、MCU——網(wǎng)絡通信模塊、電源管理模塊、隔離觸發(fā)模塊等構(gòu)成,輔之以上位機軟件,即可方便地實現(xiàn)遠距離測時、測速。基于這一系統(tǒng),研制了VIDRI 32通道高速一體化測時儀,系統(tǒng)構(gòu)成見圖8。

        系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信通過MCU——網(wǎng)絡通信模塊來實現(xiàn)。MCU——網(wǎng)絡通信模塊是本儀器與上位機的接口,實現(xiàn)了基于TCP/IP的百兆以太網(wǎng)通信接口。其帶來的技術優(yōu)勢明顯:傳輸距離長(無中繼時可達100m,可用中繼或光纖擴展通信距離)、可多臺設備方便地組網(wǎng)、可接入廣域網(wǎng)或?qū)y量數(shù)據(jù)上傳到云端等;另外,外場實驗中,可將本儀器就近放置在測試設備附近,使模擬小信號的傳輸距離最短,從而有效地降低信號干擾,提高測量的質(zhì)量。

        此外,針對一些爆炸現(xiàn)場難于布線或通信網(wǎng)線易被炸斷的特點,設計了“黑匣子”功能,當這個功能開啟時,儀器可以脫離網(wǎng)絡進行采集,采集完成后再將儀器收回,聯(lián)網(wǎng)讀取其中的數(shù)據(jù)。

        圖8 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

        圖9 是傳統(tǒng)靶網(wǎng)測試方案與本文技術方案的對比示意圖。配套的上位機軟件對儀器采集到的數(shù)據(jù)進行解析、顯示和存儲,并對原始數(shù)據(jù)進行計算、分析和處理,得到每一路通斷靶相對于觸發(fā)信號的導通時間。該軟件顯示的數(shù)據(jù)有兩種:1)表格形式的各通道靶脈沖個數(shù)、到達時間;2)可任意選擇的8個通道脈沖波形顯示。軟件還可以對圖形進行局部放大,以觀察波形的細節(jié),同時提供雙光標操作,可以手動精確地測量圖中的時間間隔。

        圖9 技術方案對比示意圖

        3 誤差分析

        對于測時結(jié)果的誤差,主要來源于FPGA計時誤差和模擬通道延時誤差。

        1)FPGA計時誤差。由于系統(tǒng)采用高精度的晶體震蕩器作為時鐘源,而晶體震蕩器的相對誤差小于10-7,所以計時誤差主要來源于晶體震蕩器的工作頻率,即計時的最小時間間隔。本系統(tǒng)中,采用40MHz的石英晶體,經(jīng)FPGA的PLL將其倍頻到300 MHz作為主時鐘,其計時的最小間隔為3.3ns,F(xiàn)PGA計時誤差以3.3ns計。

        2)模擬通道延時誤差。本系統(tǒng)中,通斷信號經(jīng)高速光電耦合器進入高速模擬比較器,所以除開線纜帶來的時延,主要的模擬通道延時來自高速光電耦合器和高速模擬比較器。由于采用的是信號帶寬不小于50 MHz的高速光電耦合器,所以模擬通道的延時可以估計為帶寬的倒數(shù),即20ns左右。高速模擬比較器的群延時正是其帶寬的倒數(shù),為3ns。

        計時儀真正關心的是各通道脈沖信號之間的時間差,而每個通道都是經(jīng)過相同設計的電子線路,所不同的僅是器件之間的差異。所以在計算脈沖寬度時,模擬通道的延時是被抵消掉的(同一個通道,同樣的器件),而測量不同通道之間的脈沖時間差時,沒有抵消完的是器件之間的差異,這個值遠小于20ns,可以估計為最大3ns。

        系統(tǒng)計時誤差是上述兩種誤差之和:

        式中:Δt1——FPGA計時誤差;

        Δt2——模擬通道延時誤差。

        可得系統(tǒng)計時誤差為Δt≈6.3 ns。

        4 爆轟測量實驗

        采用本文研制的VIDRI 32通道高速一體化測時儀與DL-32/16型多路時間間隔測量儀同時測量爆速進行實驗對比[14]。試驗裝置如圖10所示,儀器連接見圖11。

        圖10 爆轟測速試驗示意圖

        圖11 爆轟測速試驗儀器連接示意圖

        表1 爆速測試試驗結(jié)果 mm/μs

        DL-32/16型多路時間間隔測量儀32路的起始和停止脈沖由CM01型網(wǎng)絡信號發(fā)生器產(chǎn)生,幅度為150V,前沿優(yōu)于20ns。本文儀器的激勵源由內(nèi)部電路產(chǎn)生,幅度為10V,前沿優(yōu)于20ns。實驗結(jié)果見表1。

        DL-32/16與本文儀器測量同一組信號的最大偏差為12ns,最小為1ns。測速偏差為0.01mm/μs,相對偏差≤0.13%,因此本文儀器與現(xiàn)有的精密測時儀測量結(jié)果一致。此外,儀器送檢中國測試技術研究院,與高速示波器并測同一脈沖信息,得到的結(jié)果偏差≤10ns。

        5 結(jié)束語

        現(xiàn)場實驗結(jié)果表明,本文提出的電流取樣技術、通道隔離升壓技術、高采樣頻率技術等有效提高了測時精度與速率,設計制作的32通道高速一體化測時儀,可準確、快捷地測量爆轟探針、靶網(wǎng)等的通斷脈沖時間參數(shù)。對于在外場實驗中使用的測試設備,一體化分布式-嵌入式技術的優(yōu)點十分顯著,微弱信號的就近數(shù)字化,儀器的低功耗、高集成度,直接帶來高抗干擾能力和系統(tǒng)安裝、操作的便利。

        [1]楊桂紅,王廣軍,龔晏青,等.梳狀靶法研究爆轟驅(qū)動全預制破片的飛行規(guī)律[J].含能材料,2013(5):656-659.

        [2]侯曠怡,何正文,張新偉.戰(zhàn)斗部破片群初速、壓力測試方法[J].四川兵工學報,2012,33(4):28-29.

        [3]LU S T, YU A T, CHOU C.Electro-Optics target for position and speed measurement[J].IEEE Proceedings-A,1993,140(4):623-628.

        [4]謝盤海,曾凡群,馬冰.破片群初速的電探針測量法[J].爆炸與沖擊,1994,14(4):363-368.

        [5]王廣軍,龔晏青,汪斌.不同類型電探針在凝聚炸藥爆速測量中的應用[C]∥全國爆炸力學實驗技術學會會議論文集,2012.

        [6]孫永強,何智,王珺.一種高精度爆速測量方法[J].含能材料,2012,20(3):329-332.

        [7]張艷,孫閩紅,覃章健.炮彈爆炸彈片平均飛行速率測試方法研究[J].微型機與應用,2004,23(11):44-46.

        [8]呂津,韓震宇,汪煉.一種對20mA電流環(huán)的改進方法[J].中國測試技術,2003,29(2):37.

        [9]武文斌,陳先.4~20 mA電流環(huán)串行通信接口抗干擾研究[J].現(xiàn)代電子技術,2014(12):116-118.

        [10]潘松,黃繼業(yè).EDA技術使用教程-Verilog[M].4版.北京:科學出版社,2010:51-76.

        [11]吳厚航.深入淺出玩轉(zhuǎn)FPGA[M].北京:北京航空航天大學出版,2010:42-60.

        [12]夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設計教程[M].北京:北京航空航天大學出版,2003:70-83.

        [13]曹志鵬.便攜式儀表電池管理系統(tǒng)研究[D].杭州:杭州電子科技大學,2010.

        [14]邵英斌,董金軒,曹科峰.DL-32/16型多路時間間隔測量儀及其應用[J].爆炸與沖擊,1995,15(1):91-96.

        (編輯:李剛)

        Development of high speed integrated electrical chronometer with 32 channels

        WU Di1,WANG Guangjun2,ZHOU Qing1
        (1.Chengdu Scienic Measurement&Control technology Co.,Ltd.,Chengdu 610051,China;2.Institute of Fluid Physics,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China)

        Based on the distributed-embedded technology,an all-digital integrated signal excitation&detection electrical chronometer is developed,which effectively solves the problem of various disturbances in the measurement by measuring circuit current in signal detection.Integrating the functions including signal excitation,signal processing,signal recording and data transmission,the instrument ensures signal integrity and system availability,realizes 32 safely isolated test channels,measuring range of 100 ns-2 s,resolution of 3.3 ns,precision of ±7 ns and provides technical support for signal anti-interference,signal integrity and reliability in out-field explosion test and shortening of test preparation time.

        electrical chronometer; distributed-embedded system; integrated signal excitation&detection;ionization in detonation;on-off target

        A

        1674-5124(2017)04-0078-05

        10.11857/j.issn.1674-5124.2017.04.017

        2016-09-10;

        2016-11-18

        吳 鏑(1968-),男,四川成都市人,高級工程師,主要從事光電測試及高速模擬信號采集工作。

        猜你喜歡
        計時脈沖儀器
        他們使阿秒光脈沖成為可能
        《現(xiàn)代儀器與醫(yī)療》2022年征訂回執(zhí)
        《現(xiàn)代儀器與醫(yī)療》2022年征訂回執(zhí)
        脈沖離散Ginzburg-Landau方程組的統(tǒng)計解及其極限行為
        暢游計時天地
        車迷(2022年1期)2022-03-29 00:50:24
        腕表計時2.0
        中國化妝品(2020年9期)2020-10-09 08:56:56
        12時計時法與24時計時法的互化
        我國古代的天文儀器
        黃芩苷脈沖片的制備
        中成藥(2017年12期)2018-01-19 02:06:54
        24時計時法
        日本一区二区三区免费| 品色堂永远的免费论坛| 亚洲av无码专区在线亚| 人妻少妇激情久久综合| 激情综合五月开心婷婷| 亚洲第一se情网站| 国产精品一区二区韩国AV| 日韩亚洲午夜精品一区二区三区| 亚洲综合中文字幕综合| 激性欧美激情在线| 久久中文字幕无码一区二区| 中文字幕二区三区在线| 久久精品一区午夜视频| 人妻无码αv中文字幕久久琪琪布 美女视频黄的全免费视频网站 | 日韩欧美第一区二区三区| 久久2020精品免费网站| 亚洲人成人无码www| 亚洲av永久无码天堂网手机版| 亚洲综合伦理| 国产91精品一区二区麻豆亚洲| 色欲综合一区二区三区| 久久久久亚洲av无码网站| 在线播放中文字幕一区二区三区| 国产一区二区三区不卡在线观看 | 亚洲欧洲日产国码无码av野外| 亚洲视频一区二区免费看| 老师露出两个奶球让我吃奶头| 中文字幕在线亚洲日韩6页手机版| 亚洲一区二区三区成人在线| 91丝袜美腿亚洲一区二区| 日韩人妻无码一区二区三区| 真实国产网爆门事件在线观看| 国产av天堂一区二区二区| 欧美狠狠入鲁的视频777色| 国内精品大秀视频日韩精品| 一区二区免费国产a在亚洲 | 99蜜桃在线观看免费视频| 日韩人妻无码一区二区三区久久| 精品人妻少妇一区二区不卡| 丝袜美腿一区二区在线观看| 欧美性白人极品1819hd|