王錦錦，王偉，聶鑫，郭帆，石躍武，孫蓓云，朱志臻，楊靜

（強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西北核技術(shù)研究所，陜西西安，710024）

1 研究目的

電磁脈沖可以通過電纜、天線以及金屬屏蔽體上的縫隙和孔洞耦合進(jìn)入電子系統(tǒng)，在電子器件的輸入和輸出端口上產(chǎn)生瞬態(tài)高電壓和大電流，使電路或器件功能暫時(shí)失效或使電子器件產(chǎn)生燒毀[1-4]。電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)是對(duì)被試系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)，主要目的是評(píng)價(jià)和確認(rèn)系統(tǒng)在EMP中的生存能力[5]。其在模擬器下開展，由模擬器產(chǎn)生輻射場(chǎng)環(huán)境，被試系統(tǒng)處于模擬器的工作區(qū)內(nèi)，實(shí)驗(yàn)中通過光纖傳輸鏈路測(cè)量被試系統(tǒng)內(nèi)部的耦合場(chǎng)、感應(yīng)電流或電壓等效應(yīng)參數(shù)[6-9]，同時(shí)要監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部可能出現(xiàn)的功能異常、失效故障等效應(yīng)現(xiàn)象。

多路信號(hào)的同步觸發(fā)[10]是效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量被試系統(tǒng)內(nèi)部耦合數(shù)據(jù)的重要 環(huán)節(jié)。通常使用示波器的外部觸發(fā)模式，將幾臺(tái)示波器的輔助輸入信號(hào)作為觸發(fā)源，同時(shí)連接到相同的輸入信號(hào)，控制多臺(tái)示波器完成多路信號(hào)的同步觸發(fā)。傳統(tǒng)解決方法采用功分器或示波器的輔助輸出通道觸發(fā)信號(hào)，控制多臺(tái)示波器的同步觸發(fā)。該種方法適合應(yīng)用于需要測(cè)量的信號(hào)數(shù)量較少時(shí)，功分后信號(hào)可以滿足信號(hào)的觸發(fā)。但當(dāng)示波器數(shù)量增加時(shí)，功分器產(chǎn)生的多路信號(hào)幅度和精度不能滿足示波器的觸發(fā)要求。還有一種方法是示波器的級(jí)聯(lián)觸發(fā)方法，使用泰克（Tektronix）示波器自帶的級(jí)聯(lián)觸發(fā)方式。將示波器的觸發(fā)輸出信號(hào)作為下一路示波器的觸發(fā)輸入信號(hào)。但這種級(jí)聯(lián)觸發(fā)方法可靠性較低，一旦中間一個(gè)示波器的觸發(fā)出現(xiàn)問題，后面的示波器將無法觸發(fā)。隨著電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量規(guī)模的不斷增大，需要研制一種支持多臺(tái)示波器同步觸發(fā)的高精度高可靠同步觸發(fā)系統(tǒng)，用于解決電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的同步觸發(fā)問題，保證效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量工作的順利進(jìn)行。該觸發(fā)系統(tǒng)由觸發(fā)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)、脈沖源信號(hào)發(fā)生[11-15]和一種觸發(fā)方法組成。觸發(fā)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)由探頭、固定裝置、支架、底座組成，用于采集不同位置和高度的觸發(fā)信號(hào)。采集到的觸發(fā)信號(hào)通過功分和脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生多路信號(hào)，用于多臺(tái)示波器的同步觸發(fā)。在本次方法中，以16臺(tái)示波器的同步觸發(fā)為例，使用2臺(tái)脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生16路觸發(fā)信號(hào)，完成了16臺(tái)泰克示波器的同步觸發(fā)。該方法還可以使用不同的脈沖信號(hào)發(fā)生器完成更多臺(tái)示波器的同步觸發(fā)，解決了多路電磁脈沖信號(hào)同步觸發(fā)的工程問題。

2 電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)同步觸發(fā)系統(tǒng)與方法

電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)同步觸發(fā)系統(tǒng)包括效應(yīng)實(shí)驗(yàn)觸發(fā)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)和電磁脈沖同步觸發(fā)方法。電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)在模擬器[16-18]下開展，通過布放測(cè)點(diǎn)來獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，示意圖如圖1所示。結(jié)合模擬器的場(chǎng)分布測(cè)量，在模擬器下計(jì)算選取電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)觸發(fā)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)布放位置，布放電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)電場(chǎng)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，獲取觸發(fā)信號(hào)。觸發(fā)信號(hào)通過場(chǎng)地光纖傳輸系統(tǒng)傳輸至光接收機(jī)，光接收機(jī)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后觸發(fā)信號(hào)傳輸至同步觸發(fā)裝置，光接收機(jī)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后將觸發(fā)信號(hào)傳輸至功分器，功分器將信號(hào)功分為兩路后，傳輸至兩臺(tái)脈沖信號(hào)發(fā)生器，兩臺(tái)脈沖信號(hào)發(fā)生器可以同步輸出16路同步觸發(fā)信號(hào)，控制1到16臺(tái)示波器的同步觸發(fā)。

圖1 電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)同步觸發(fā)系統(tǒng)示意圖

2.1 效應(yīng)實(shí)驗(yàn)觸發(fā)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)

同步觸發(fā)系統(tǒng)中的效應(yīng)實(shí)驗(yàn)觸發(fā)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)主要測(cè)量同步觸發(fā)輸入信號(hào)。觸發(fā)信號(hào)的成功獲取是多臺(tái)示波器同步觸發(fā)的政要保證。觸發(fā)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)主要由探頭、固定裝置、支架、底座組成，如圖2所示。首先選取合適高度的支架3，將3與底座4進(jìn)行組裝。再選取探頭固定裝置2固定電場(chǎng)探頭1，將固定好的探頭1的由固定裝置2安裝到支架3上，安裝高度和整個(gè)測(cè)量的系統(tǒng)的位置根據(jù)測(cè)量位置靈活選取。最后探頭1的輸出信號(hào)由光纖傳輸系統(tǒng)5傳輸至接收端。

圖2 觸發(fā)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為保證數(shù)據(jù)采集的可靠性，測(cè)量系統(tǒng)的布放位置通常在模擬裝置產(chǎn)生的電磁脈沖環(huán)境中計(jì)算選取。該觸發(fā)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，方便移動(dòng)，可以應(yīng)用于不同模擬裝置下，且觸發(fā)探頭的高度可以調(diào)節(jié)，測(cè)量范圍較大。底座和木桿的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得底部增加了配重，不易應(yīng)外力而發(fā)生傾斜或者跌倒，在戶外模擬器下實(shí)用性較強(qiáng)。

2.2 電磁脈沖同步觸發(fā)方法

2.2.1 同步觸發(fā)架構(gòu)

傳統(tǒng)的觸發(fā)方式有功分觸發(fā)和級(jí)聯(lián)串聯(lián)同步觸發(fā)等。在功分觸發(fā)方法中，使用功分將1路觸發(fā)信號(hào)分為2路信號(hào)。將兩臺(tái)示波器的輔助輸入信號(hào)作為觸發(fā)源，分別連接功分后的2路輸入信號(hào)，示波器的另外四個(gè)通道分別連接待測(cè)信號(hào)，將兩臺(tái)示波器變?yōu)椤?通道”示波器。但是這種觸發(fā)技術(shù)只能完成少數(shù)幾臺(tái)示波器的同步觸發(fā)，當(dāng)功分路數(shù)增多時(shí)，功分后的觸發(fā)信號(hào)不能滿足示波器的觸發(fā)要求，僅適用于規(guī)模較小的實(shí)驗(yàn)。

在級(jí)聯(lián)串聯(lián)同步觸發(fā)中，使用同步觸發(fā)裝置脈沖信號(hào)發(fā)生器，完成多路信號(hào)的同步觸發(fā)。首先將效應(yīng)實(shí)驗(yàn)觸發(fā)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的信號(hào)接入功分器產(chǎn)生兩路觸發(fā)信號(hào)。再將這兩路信號(hào)分別接入脈沖信號(hào)發(fā)生器的外部觸發(fā)信號(hào)，如圖3所示。將1#示波器的輔助輸入信號(hào)作為觸發(fā)源，連接到觸發(fā)輸入信號(hào)，1#示波器的輔助輸出信號(hào)作為2#示波器的觸發(fā)輸入信號(hào)，示波器的另外四個(gè)通道分別連接待測(cè)信號(hào)，將兩臺(tái)示波器變?yōu)椤?通道”示波器，將兩臺(tái)脈沖信號(hào)發(fā)生器連接到相同的輸入信號(hào)，采用單次觸發(fā)模式，當(dāng)輸入信號(hào)滿足觸發(fā)信號(hào)的要求時(shí)，有16路觸發(fā)信號(hào)同步輸出，最大控制16臺(tái)示波器的同步觸發(fā)。這種方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)示波器的同步觸發(fā)控制，并且具有高精度和高可靠性，因此在較大規(guī)模的電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中采用該種同步觸發(fā)架構(gòu)。

圖3 同步觸發(fā)方法

2.2.2 脈沖信號(hào)發(fā)生器

在該種同步觸發(fā)方法中，同步觸發(fā)裝置的穩(wěn)定性、延遲與精度對(duì)系統(tǒng)的同步觸發(fā)的影響較大。通過調(diào)研與分析，同步觸發(fā)系統(tǒng)中使用的同步觸發(fā)裝置為脈沖信號(hào)發(fā)生器Quantum composers9528。脈沖信號(hào)發(fā)生器Quantum composers 9528是多通道信號(hào)發(fā)生器，最大可以產(chǎn)生8路控制信號(hào)，如圖4所示。其輸出方式有手動(dòng)控制、外部信號(hào)輸入控制等多種模式。在電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，需要用到外部信號(hào)控制脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生同步觸發(fā)信號(hào)，Quantum composers 9528滿足該需求，且觸發(fā)電平、脈寬等技術(shù)指標(biāo)均滿足電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的需求。同步觸發(fā)系統(tǒng)中的效應(yīng)實(shí)驗(yàn)觸發(fā)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)將采集到的同步觸發(fā)信號(hào)輸入同步觸發(fā)裝置。設(shè)置同步觸發(fā)為單次觸發(fā)模式，設(shè)置觸發(fā)電平，上邊沿觸發(fā)。使用示波器的外觸發(fā)方式，將觸發(fā)輸出信號(hào)作為示波器的外部觸發(fā)輸入信號(hào)，分別接入多臺(tái)示波器的外部觸發(fā)通道，同步觸發(fā)多臺(tái)示波器。被測(cè)信號(hào)分別接入示波器的4個(gè)通道，多臺(tái)示波器的同步觸發(fā)保證了多路信號(hào)的有效采集。

圖4 脈沖信號(hào)發(fā)生器

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證該觸發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)行了上百次觸發(fā)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，效應(yīng)實(shí)驗(yàn)觸發(fā)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的成功采集率為100%，滿足了效應(yīng)實(shí)驗(yàn)同步觸發(fā)輸入信號(hào)的高可靠性和穩(wěn)定性的要求。在采集到同步觸發(fā)信號(hào)后，脈沖信號(hào)發(fā)生器的觸發(fā)率也為100%。該系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠的完成多臺(tái)示波器的同步觸發(fā)，保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效采集，提高了實(shí)驗(yàn)效率。

4 結(jié)論

一種電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)量高精度同步觸發(fā)系統(tǒng)用于解決電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)量中多臺(tái)示波器的同步觸發(fā)問題。該系統(tǒng)包括一種電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)觸發(fā)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)和一種觸發(fā)方法，最大可以控制16臺(tái)示波器的同步觸發(fā)，但不限于16臺(tái)示波器的同步觸發(fā)。該系統(tǒng)通過效應(yīng)實(shí)驗(yàn)觸發(fā)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行觸發(fā)信號(hào)的采集，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)采集完成后，將觸發(fā)信號(hào)功分后作為脈沖信號(hào)發(fā)生器的輸入信號(hào)，完成多臺(tái)示波器的同步采集。觸發(fā)信號(hào)測(cè)量點(diǎn)的選擇和整個(gè)系統(tǒng)延遲為是否可以正常觸發(fā)的關(guān)鍵。通過上百發(fā)次的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該同步觸發(fā)系統(tǒng)具有高可靠性和高穩(wěn)定性，觸發(fā)成功率為100%，可以完成較大規(guī)模電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的同步觸發(fā)需求，解決了電磁脈沖測(cè)量領(lǐng)域同步觸發(fā)的工程問題。