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(1.西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安 710021； 2.陜西省光電測試與儀器技術(shù)重點實驗，西安 710021)

0 引言

光電子技術(shù)的快速發(fā)展，為器件應(yīng)用與測試儀器的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)[1]。光電靶是測試儀器中最具有代表性的一種，以光學(xué)系統(tǒng)形成靶面和器件構(gòu)成具有非接觸型的測速裝置，其工作原理是以光電傳感器相應(yīng)電靶內(nèi)部光通量的變化，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬ξ⑷醯墓怆娦盘枺?jīng)過電路優(yōu)化設(shè)計后，將放大的信號作為輸入電壓值，進行幅值測試，為后續(xù)儀器提供脈沖[2]。在溫槍彈道中，由于彈道高度不同，加之實驗的不可重復(fù)性，導(dǎo)致人們對儀器靈敏度和穩(wěn)定性要求極高，同時，實驗環(huán)境改變和測試都具有危險性，因此需時時刻刻對設(shè)備進行監(jiān)控[3]。由于光電靶與其他儀器一樣，控制靈敏度與穩(wěn)定性之間存在矛盾，并容易受到炮口火光和激波等干擾因素的影響，容易出現(xiàn)電壓過飽和現(xiàn)象，經(jīng)常導(dǎo)致儀器出現(xiàn)假動作或錯誤動作[4]。使用傳統(tǒng)控制系統(tǒng)存在靈敏度控制效果差、性能不穩(wěn)定等問題，無法滿足高效控制標(biāo)準(zhǔn)[5]。

針對上述存在問題以及帶來影響，對溫槍彈道中光電靶靈敏度控制系統(tǒng)進行優(yōu)化。根據(jù)實際條件和實際干擾元素進行優(yōu)化設(shè)計，并對系統(tǒng)設(shè)計原理框圖，同時，單片機還要根據(jù)光電靶靈敏度和噪聲幅度值設(shè)置比較器闡值電壓。針對系統(tǒng)硬件優(yōu)化設(shè)計，需要實現(xiàn)的是將光信號轉(zhuǎn)換為微弱電流信號，之后再對微弱電流信號進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為mv級的電壓信號，之后再設(shè)計相應(yīng)的放大電路實現(xiàn)可調(diào)程控增益。在開發(fā)環(huán)境下進行軟件部分設(shè)計，并通過實驗結(jié)果可知，該系統(tǒng)設(shè)計具有合理性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

在溫槍彈道中，并不是所有彈道都要求光電靶探測靈敏度越強越好。通常情況下，在火炮炮口進行初始化運作時，彈丸是比較大的，且彈道較低，如果光電靶靈敏度控制較差，那么從溫槍彈道射出的彈丸信號就會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，且在炮口處會受到火光和激波的干擾，使光電靶出現(xiàn)誤發(fā)射現(xiàn)象，影響系統(tǒng)的優(yōu)化[6]。為此，需在滿足條件的情況下，降低溫槍彈道中光電靶對火光和激波干擾的靈敏性，實現(xiàn)高校靈敏度控制。

基于此，在控制系統(tǒng)中設(shè)計高靈敏度和低靈敏度兩種工作模式，以便根據(jù)實際條件和實際干擾元素進行優(yōu)化設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計的原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

由圖1可知：當(dāng)溫槍彈道中的彈丸信號穿過光電靶面時，經(jīng)過兩級方法，對信號電路進行調(diào)理，會將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，為后續(xù)儀器提供脈沖輸出條件。為了降低系統(tǒng)在電路中出現(xiàn)的噪音，在對目標(biāo)信號傳輸時，進入后級放大電路，并在前級加入程序控制過濾器以降級噪音干擾。濾波參數(shù)是由單片機決定的，經(jīng)過緩慢存儲寫入系統(tǒng)中。

針對系統(tǒng)硬件部分的優(yōu)化設(shè)計，采用模糊控制方法對電路進行設(shè)計，控制信號主要取決于溫槍彈道的背景亮度與噪聲干擾情況。背景亮度和噪聲干擾經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，利用AD對數(shù)據(jù)進行采集，并輸入單片機，此時單片機根據(jù)選擇的靈敏度按照相應(yīng)控制規(guī)則進行計算，并輸出，此時的輸出電壓值是控制整個系統(tǒng)電路的電壓信號[7]。同時，單片機還要根據(jù)光電靶靈敏度和噪聲幅度值設(shè)置比較器闡值電壓。針對系統(tǒng)軟件部分的優(yōu)化設(shè)計，需充分利用硬件電路中對溫槍彈道彈丸模擬信號進行方法，同時盡量降低比較器的闡值電壓值，編寫軟件程序，促使系統(tǒng)設(shè)計的噪聲幅度值為原來的1.2倍[6]。在能夠滿足系統(tǒng)要求的同時，以光電靶穩(wěn)定性為主要參考因素，改變電路中的控制規(guī)則，使噪聲幅度值降為原來的1.5倍，方便后續(xù)對靈敏度控制設(shè)計。

2 硬件設(shè)計

針對系統(tǒng)硬件優(yōu)化設(shè)計，需從溫槍彈道中光電靶靈敏度控制角度出發(fā)，第一步需要實現(xiàn)的是將光信號轉(zhuǎn)換為微弱電流信號，之后再對微弱電流信號進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為mv級的電壓信號，之后再設(shè)計相應(yīng)的放大電路實現(xiàn)可調(diào)程控增益。

2.1 光電靶靈敏控制器設(shè)計

光電靶靈敏控制器主要是由光點二極管、三極管和PIN型號的光電二極管組成。所研究的光電靶，其彈丸口徑約為3.5～150 mm，速度在10～2000 m/s，射頻在1000發(fā)/min以下，坐標(biāo)精確度為±2.5 mm，靶面大小分為1 m×1 m到5 m×5 m不等。光電靶控制系統(tǒng)中的光電探測器選用的是GD3271Z十六元陣列探測器。其中包含十六個光敏二極管，邊長為2.5 mm，探測面積為2.5×16 mm2，探測器總長為43 mm。給出光電靶靈敏控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光電靶靈敏控制器

由圖2可知：光電二極管是基于p-n結(jié)的光電效應(yīng)運轉(zhuǎn)的，并在反偏光模式下設(shè)置光伏工作強度。在無光照工作情況下，會出現(xiàn)載流子的渡越時間和結(jié)點容較小現(xiàn)象發(fā)生，并且具有較寬線性輸出和較高的響應(yīng)頻率，選擇適用的高頻率調(diào)至光源信號，在二極管內(nèi)進行控制設(shè)計。由于二極管內(nèi)空間電荷區(qū)域較寬，勢壘過大，導(dǎo)致流過的p-n結(jié)電流較小，容易形成暗流。此時的二極管被光照射時，會產(chǎn)生光生電流，光生電流會比無光照射時產(chǎn)生的電流大的多，并且光照強度較大，在同樣條件下所產(chǎn)生的載流越多說明電流就越大[8]。PIN型號的二極管又被稱為快速光電二極管，工作原理與普通二極管原理一致，都是基于p-n結(jié)光電工作原理進行的。在p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體之間摻雜了一層本征半導(dǎo)體，主要由高阻n型硅片組成，在它兩面都具有拋光屬性，同時使用歐姆接觸PIN型號光電二極管在兩面摻雜雜質(zhì)進行擴散。在反偏光狀態(tài)下，可承受較高電壓，這就促使靈敏控制器具有較寬輸出范圍，且PIN型號光電二極管響應(yīng)速度快、靈敏度高。

2.2 光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

如果直接對信號進行測量，那么會存在信噪比和信號傳遞較難的問題，為此在信號輸出級中，選擇跨阻值較大的放大器對溫槍彈道中射出信號進行轉(zhuǎn)換與放大。由于放大器本身是具有電阻量綱屬性的，為此將跨足放大器作輸入信號值作為電路的輸入電流值，將輸出信號值作為電路的輸出電壓值，具有信號強、失真小、噪聲低、倍數(shù)放大等優(yōu)點[9]。選擇型號為OPA380的跨阻值放大器，可適用90 Mhz的寬帶，并且信號是在15 kHz芯片自帶的68nV噪聲下傳遞的，電路傳輸電壓不能超過6.0 V，并且滿足輸出級噪聲電流轉(zhuǎn)換成電壓的要求，電路原理設(shè)計如圖3所示。

圖3 光電轉(zhuǎn)換電路原理圖

由圖3可知： D1型號為LSSPD-PB3的光電二極管，將光強信號轉(zhuǎn)化為電流信號輸入OPA380的2號引腳；R1是控制電流轉(zhuǎn)換成電壓的放大倍數(shù)，一般選用10 K的電阻；C1作用為去耦電容，當(dāng)高頻噪聲信號通過跨阻放大級時，高頻噪聲信號會通過C1直接通過放大器，防止放大器對噪聲進行放大。

根據(jù)以上步驟，選用十六元陣列的光電探測器，PIN型號光電二極管設(shè)計光電靶靈敏度控制器，并采用OPA380跨阻值放大器，15 kHz芯片設(shè)計光電轉(zhuǎn)換電路，將光信號轉(zhuǎn)換為微弱電流信號，實現(xiàn)微弱電流信號的轉(zhuǎn)換。二極管中光電信號響應(yīng)速度快、靈敏度高，能夠有效提升硬件的控制精度和控制速率，由此完成了溫槍彈道中光電靶靈敏度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分的優(yōu)化設(shè)計是在一種程序開發(fā)環(huán)境下進行的，運行程序類似于BASIC運行環(huán)境，但是系統(tǒng)軟件部分程序語言設(shè)計與其他計算機程序語言是有顯著區(qū)別的，其他計算機程序語言采用的是基于文本語言而產(chǎn)生相關(guān)代碼，而系統(tǒng)軟件使用的是圖形化的語言編輯程序，因此產(chǎn)生的程序也是具有框圖形式的。溫槍彈道中光電靶靈敏度控制系統(tǒng)軟件優(yōu)化是NI平臺設(shè)計的核心部分，也是優(yōu)化環(huán)境或者控制系統(tǒng)的理想選擇形式[10]。因此，選擇基于優(yōu)化環(huán)境下的軟件程序開發(fā)板來實現(xiàn)軟件編程。軟件編程的基本流程如下所示：

1)獲取失真波形，采用A/D轉(zhuǎn)換器對數(shù)據(jù)進行采集，同時利用計數(shù)器開始計算采集時間；

2)將AD采集的信號還原成未處理的信號；

3)經(jīng)過計算，可得出采樣個點的斜率；

4)比較采樣點斜率大小，找出斜率最大且時間最小點；

5)將斜率最大且時間最小點斜率計算出來，并輸出；

6)輸入斜率對應(yīng)橫坐標(biāo)值，獲取理論波形；

7)輸出理論波形縱坐標(biāo)值；

8)計算此時理論波形對應(yīng)的斜率；

9)利用輸出值與失真波形對應(yīng)電壓增益值和對應(yīng)點斜率，計算出理論波形所對應(yīng)的電壓增益方法倍數(shù)；

10)計算電壓放大倍數(shù)所對應(yīng)的增益控制端電壓值，并在DA輸出控制端輸出此時的電壓值。

給出控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)軟件涉及流程圖

對于彈形波形斬波失真度研究，提出利用失真波形拐點處斜率值和理論波形對應(yīng)該點處的斜率值關(guān)系，來實現(xiàn)電路電壓增益的調(diào)節(jié)。首先通過簡單數(shù)學(xué)推導(dǎo)來得出彈形波形斬波失真度算法。假設(shè)電路中未經(jīng)放大的原始信號如圖4(a)所示，將原始信號放大n倍后失真波形如圖4(b)所示，拐點坐標(biāo)為(t0,V0)：

圖4 信號失真波形

由圖4可得，失真點對應(yīng)的拐點坐標(biāo)是(t0,V0)。假設(shè)將圖(a)中t0對應(yīng)的電壓值放大2倍，即為V1，此時對應(yīng)圖(b)中拐點坐標(biāo)是(t0,V1)，原始信號對應(yīng)t0的電壓值是v原。則此時，v1=2v原，v0=nv原,失真波形拐點處對應(yīng)斜率值是：k失=v0/t0，放大倍數(shù)為n;放大兩倍時對應(yīng)拐點處斜率值是：k2=v1/t0，放大倍數(shù)為2，由此可獲得結(jié)論斜率之比即放大倍數(shù)之比，如公式(1)所示：

(1)

由公式(1)可得出：當(dāng)進行靶場實驗時，第一發(fā)溫槍彈電路的增益是已知的，失真波形拐點處的斜率已知，理論波形對應(yīng)拐點處的斜率已知，通過上述推導(dǎo)可以得出理論波形對應(yīng)的增益值，從而可以得出電壓增益電路需要調(diào)整的增益，達(dá)到減小測試誤差目的。

選擇STM32F407ZGT6型號芯片，該芯片主要有以下幾個特點：最多可測量23個通道，由21個外部通道源和2個內(nèi)部信號源組成；單個芯片最大采樣率為1 MHz，支持單次、連續(xù)、掃描或者間斷交替方式；12位逐次逼近型數(shù)模轉(zhuǎn)換器[11]。軟件程序設(shè)計是要求斜率值盡量精確，使系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果更加具有合理性，但是經(jīng)過AD采集到的數(shù)據(jù)是一系列離散的數(shù)字點，無法滿足該要求，為此，需對經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)進行還原。設(shè)計電路時，由于需要相應(yīng)的匹配，因此對AD603輸出失真波形進行了同等比例縮小，可先將AD采集到的數(shù)據(jù)進行還原，經(jīng)過還原后的失真波形對應(yīng)原始波形進行電壓值測定。計算失真波形拐點為斜率最大值點，并對每一個采樣點斜率計算，將他們存入到一個數(shù)組里面，在數(shù)組中求得對應(yīng)斜率最大值點，之后找出斜率最大值點對應(yīng)橫坐標(biāo)，生成波形，求得理論波形對應(yīng)拐點處斜率值。給定失真波形放大倍數(shù)，根據(jù)前面推導(dǎo)關(guān)系式，得到理論波形對應(yīng)的放大倍數(shù)，以此為基礎(chǔ)計算對應(yīng)程控放大電路控制端電壓值。由于輸入兩個波形是相同的，輸出的失真波形倍數(shù)與理論波形應(yīng)該也是相同的,根據(jù)計算器計算，與輸出程序一致，那么可說明程序編寫正確，完成軟件部分設(shè)計。

4 實驗結(jié)果與分析

為了驗證溫槍彈道中光電靶靈敏度控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的合理性，進行了如下實驗。設(shè)置主要參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)置

4.1 結(jié)果分析

按照溫槍彈道中發(fā)射出的彈丸信號屬性，進行相應(yīng)光電靶靈敏度控制系統(tǒng)設(shè)計后，利用信號發(fā)射所提供的電壓和頻率正弦信號，對系統(tǒng)性能進行驗證。不同頻率下光電靶靈敏度變化特性如表2所示。

表2 不同頻率下光電靶靈敏度變化幅值

根據(jù)表2不同頻率下光電靶靈敏度變化幅值可知，在1～4 kHz范圍內(nèi)，波形并沒有出現(xiàn)較大幅度變化；但是從5 kHz開始，靈敏度幅值逐漸下降，最低達(dá)到了0.25 V，衰減了75%。為了控制幅值處于穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)計了上述系統(tǒng)，將改進系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進行對比，提高實驗結(jié)果可靠性，如圖5所示。

圖5 兩種系統(tǒng)控制性能對比結(jié)果

由圖5可知：采用傳統(tǒng)系統(tǒng)對溫槍彈道中光電靶靈敏度進行控制時，無法有效控制光電靶靈敏度，呈逐漸下降趨勢。當(dāng)實驗時間為1 s時，是幅值最高值2.25 V，當(dāng)實驗時間為3.5 s到5 s時，幅值保持恒定為1.50 V，當(dāng)實驗時間為5 s時，幅值再次下降，最終降至0.25 V；改進系統(tǒng)對溫槍彈道中光電靶靈敏度進行控制，整體呈下降趨勢。當(dāng)實驗時間為1 s時，是幅值最高值2.25 V，當(dāng)實驗時間為2 s到5 s時，幅值保持恒定為2.00 V，當(dāng)實驗時間為5 s到7 s時，幅值大幅度下降，最終降至1.00 V，從7 s開始，幅值保持恒定值為1.00 V。對比傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進系統(tǒng)的幅值，改進系統(tǒng)隨著靈敏度頻率發(fā)生變化，逐漸穩(wěn)定在一定數(shù)值范圍內(nèi)，可以有效控制光電靶靈敏度。

應(yīng)用傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，固定比較器電壓值，不同光照條件下，測量彈丸在溫槍彈道下信號幅值和噪聲幅值，收集的實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 傳統(tǒng)控制條件下靈敏度幅值

在較低靈敏度條件下，采用改進設(shè)計的系統(tǒng)控制后，彈丸在溫槍彈道下，不同亮度的靈敏度幅值如表4所示。

表4 改進系統(tǒng)控制條件下靈敏度幅值

由表3、表4可得，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)靈敏度幅值、噪聲幅值隨著相對亮度的增加，大幅度上升，靈敏度幅值最大值達(dá)到了3.39 V，噪聲幅值最大達(dá)到2.05 V，且相對亮度每增加5%，靈敏度幅值平均上升0.5 V，噪聲幅值平均上升0.4 V。改進控制系統(tǒng)靈敏度幅值、噪聲幅值隨著相對亮度的增加，基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。靈敏度幅值的平均值約為3.50 V，噪聲幅值約為1.70 V。對比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)和改進控制系統(tǒng)的實驗結(jié)果，采用改進設(shè)計的系統(tǒng)控制后，對電路進行了增益，根據(jù)當(dāng)前亮度來改變放大倍數(shù)，使光電靶范圍擴大。在同種彈丸，相同彈道高度的情況下，使脈沖輸出更加穩(wěn)定。

4.2 實驗結(jié)論

根據(jù)實驗內(nèi)容，可得出實驗結(jié)論：采用傳統(tǒng)系統(tǒng)對溫槍彈道中光電靶靈敏度進行控制時，無法有效控制光電靶靈敏度，光電靶的靈敏度呈逐漸下降趨勢，即使固定了比較器電壓值，靈敏度也不受控制；而改進系統(tǒng)隨著靈敏度頻率發(fā)生變化，逐漸穩(wěn)定在一定數(shù)值范圍內(nèi)，可以有效控制光電靶靈敏度，并在較低靈敏度條件下，脈沖輸出更為穩(wěn)定。由此可知，優(yōu)化設(shè)計的系統(tǒng)控制效果更好，穩(wěn)定性更強。

5 結(jié)束語

根據(jù)上述內(nèi)容，電路設(shè)計完成功能模塊的設(shè)計與仿真，在搭建初期，利用基礎(chǔ)萬能板對理論電路進行初步驗證，而程序優(yōu)化設(shè)計則是利用萬能板搭建基礎(chǔ)電路，并進行基礎(chǔ)調(diào)試，在輸入信號源上采用mv級電壓信號，并在不同信號頻率下，對系統(tǒng)性能進行驗證。

通過上述實驗驗證結(jié)果可知，改進系統(tǒng)的設(shè)計是合理的，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)對溫槍彈道中光電靶靈敏度進行控制，無法有效控制光電靶靈敏度，且穩(wěn)定性較差；而改進系統(tǒng)隨著靈敏度頻率的變化，能夠有效控制光電靶的靈敏度，并在較低靈敏度條件下，使脈沖輸出更為穩(wěn)定。改進系統(tǒng)不但提高了對光電靶靈敏度的控制能力，同時也大大增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了對溫槍彈道中光電靶靈敏度高效、穩(wěn)定控制的目的。

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