【文章內(nèi)容簡介】 激光打靶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成框圖如 圖 31 所示。該系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光槍、模塊式探測器、數(shù)字信號處理和發(fā)送電路、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理程序等四部分。 圖 31 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 激光的檢測 [7,8] 每次打靶，激光槍發(fā)出一個(gè)激光脈沖。如果激光脈沖擊中光電靶，利用光生伏特效應(yīng)，光電靶上的探測器把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，因此激光的檢測就是對探測器響應(yīng)電信號的檢測。光電探測 器的響應(yīng)是一個(gè)單脈沖小信號，整個(gè)檢測過程包括：信號放大、波形整形，檢測輸出是標(biāo)準(zhǔn)的脈沖數(shù)字信號。 靶位的劃分 把一個(gè)激光靶劃分為 38 塊探測器，中心 10 環(huán)為一塊探測器； 環(huán)分別有 8 塊探測器； 5 環(huán)有 5 塊探測器。根據(jù)不同靶位上的探測器來判斷所擊中的位置，包括環(huán)數(shù)： ；偏離方向：上 .下 .左 .右 .左上 .左下 .右上 .右下。 若信號擊中兩塊或四塊探測器的交界，則只取其中一塊為有效，記為有效的探測器滿足以下條件： （ 1）環(huán)數(shù)高； （ 2）偏離方向?yàn)樾毕颍ɡ纾荷虾陀疑蟽煞较?，選擇右上）。 總體設(shè)計(jì) 5 根據(jù)上述要求，以及硬件電路設(shè)計(jì)的需要，對不同的探測器進(jìn)行編碼，見 圖32（右）。 圖 32 靶位劃分與編號 編碼標(biāo)準(zhǔn) 對 38 路信號按以上原則編碼，編碼結(jié)果如 表 31。若脫靶無信號則記為 0 號。編碼后，每一個(gè)號碼對應(yīng)了每一個(gè)探測器的位置信息，包括環(huán)數(shù)和偏移方向。對信號擊中兩塊或四塊探測器的交界的情況 ,只需取碼號大的探測器為有效。這樣，打靶的結(jié)果在硬件電路上的實(shí)現(xiàn)便可由 40－ 6 線優(yōu)先編碼器完成。 表 31 靶位編碼 上 右上 右 右下 下 左下 左 左上 10環(huán) 38 9環(huán) 33 37 32 36 31 35 30 34 8環(huán) 25 29 24 28 23 27 22 26 7環(huán) 17 21 16 20 15 19 14 18 6環(huán) 9 13 8 12 7 11 6 10 5環(huán) 3 － 2 5 － 4 1 － 杭州電子科技大學(xué)畢業(yè)論文 6 成績的傳送和處理 信號經(jīng)編碼后發(fā)送到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行譯碼，在計(jì)算機(jī)上模擬顯示出射擊位置，對一組結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（包括環(huán)數(shù)和方向偏移），并進(jìn)行儲存。 其他說明 系統(tǒng)分為硬件部分和軟件部分。本論文主要設(shè)計(jì)制作硬件部分以及與微機(jī)的通訊的 2051 單片機(jī)程序。微機(jī)軟件部分，包括數(shù)據(jù)的處理和顯示等有另外一名畢業(yè)設(shè)計(jì)同學(xué)實(shí)現(xiàn)。 硬件設(shè)計(jì) 7 4 硬件設(shè)計(jì) 信號放大電路 在光電探測系統(tǒng)中，探測器輸出的電信號非常微弱，一般為毫伏級。為記錄每一次打靶的結(jié)果，信號放大與處理電路是打靶系統(tǒng)中不可或缺的。在探測器上直接進(jìn)行信號處理十分困難，一種常用的解決辦法是在探測器后接前置放大器，用來放大探測器的輸出信號，然后成功地傳輸?shù)叫盘柼幚硐到y(tǒng)的有關(guān)電路部分。前置放大器的設(shè)計(jì)要求是低噪聲，高增益，低輸出阻抗，大的動態(tài)范圍，和較好的抗噪聲能力。 在激光打靶系統(tǒng)中，對光電池產(chǎn)生的脈沖信號的具體大小值要求不高，只需檢測出有效的脈沖信號，因此可選用集成運(yùn)放來組成運(yùn)算放大電路。 通過測試，得到光電探測 器對的激光脈沖的響應(yīng)幅度典型值約為 5mv，若激光擊中在兩塊或多塊探測器邊界處，則任何一塊光電探測器的響應(yīng)幅度會減少，因此所檢測的脈沖幅度范圍大約是 3～ 5mv。為使每塊光電探測器均能檢測出信號，使之達(dá)到 TTL 電平要求，實(shí)現(xiàn)信號檢測，必須對信號放大約 1000 倍。單級運(yùn)放難以達(dá)到這么高的放大倍數(shù)，因此采用二級運(yùn)放進(jìn)行放大，第一級為前置放大器。為減少前級放大器的偏移對后級放大器的影響，設(shè)計(jì)其放大倍數(shù) 1001 ?A ；從而次級放大器的放大倍數(shù) 102?A 。 集成運(yùn)算放大器（ LM324） 集成運(yùn)算放大器是實(shí)現(xiàn)高增益放大功能的一種集成器件 [9]，早期主要用來實(shí)現(xiàn)對模擬量進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的功能，目前隨著器件性能的改進(jìn)，它已成為通用的增益器件，應(yīng)用范圍非常廣泛。 從電特性來看，集成運(yùn)放接近理想的電壓放大器件，它不僅有很大的輸入電阻和很小的輸出電阻，而且還有很高的電壓增益，此外，靜態(tài)工作時(shí)，它的輸入和輸出電位均為零，這樣，在與其它集成運(yùn)放連接時(shí)，就不需要考慮它們之間的電平配置問題。 LM324 是四通道的低功耗運(yùn)算放大器，它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用 外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立，如 圖 41 其性能參數(shù)有以下幾個(gè)方面： （ 1）單電源工作方式，工作電平 3V～ 30V （ 2）低消耗電流：約 mA 杭州電子科技大學(xué)畢業(yè)論文 8 （ 3）低輸入偏移：輸入電壓偏移： 3 mv（ Typ）；輸入電流偏移： 2 nA（ Typ） （ 4）開環(huán)增益： 100V/mv ＝ 100 dB（ Typ） （ 5）寬響應(yīng)頻帶 圖 41 LM324 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 放大電路圖 圖 42 運(yùn)算放大器電路圖 放大器電路如 圖 42 所示。它由兩級結(jié) 構(gòu)相同的同相放大器組成，集成放大器選用 LM324（圖 41）。信號經(jīng)隔直流電容 C1 從第一級放大器的正端“＋”輸入，經(jīng)過放大后輸出，再經(jīng)過級間耦合電容 C2 輸入第二級放大器的正端。前級的放大倍數(shù) 100121 ?? RRA ，后級的放大倍數(shù) 10562 ?? RRA ， 3R 和 7R 為輸入匹配電阻。 電路原理 （ 1）同相放大器 [10]（ 圖 43） 集成運(yùn)放是一種十分理想的增益器件，性能好，使用方便。該電路采用 2 級放大器級聯(lián)，每級的放大器均采用同相放大。 硬件設(shè)計(jì) 9 由集成運(yùn)放構(gòu)成的同相放大器，其特點(diǎn)是輸入信號加在同相輸入端，而反饋信號加在反相端。根據(jù)理想化條件，由于 svv ?? ，因而 svv ?? 。根據(jù) 0?i （虛斷），?v 又是 0v 在 1R 上的分壓值，即 : (41) 因而，放大器 的增益： (42) 0?VfA? ，所以 ov 與 Sv 同相。 圖 43 同相放大器 （ 2）外圍電路 光電傳感器對外部光線也有響應(yīng)，因此必須濾除這種干擾。由于背景光線是持續(xù)信號，其響應(yīng)主要是直流量，在第一級放大器輸入端的前面設(shè)計(jì)接入一個(gè) 1uf電容 C1 起到隔離直流作用，能起到很好的效果。第二級的 1uf 電容 C2 用于兩級放大器的耦合。 第一級放大器輸入端和地之間接 R3；第二級放大器輸入端和地之間接 R7。使得 : (43) 這樣，運(yùn)放的正、 負(fù)輸入端對地的等效電阻相等，從而降低運(yùn)放的電壓偏移。 電路參數(shù) 輸入脈沖幅度： mvUi 5~3? fo RRRvv ???11111 1 RRR RRvvA ffSoVf ???????? ??657213 //// RRR RRR杭州電子科技大學(xué)畢業(yè)論文 10 輸入電阻： ?? kRi 10 輸出電阻： ??kRo 1 放大倍數(shù)： 1 0 0 01 0 01021 ????? AAA 放大器級數(shù)： 兩級，前級 1001 ?A ；后級 102?A 耦合方法： 電容耦合 整形電路 [11] 光電池的輸出脈沖并不是規(guī)則的矩形脈沖信號，而是類似升余弦信號。再經(jīng)放大后也會產(chǎn)生失真，因此必須對信號進(jìn)行整形。采用常用的 CD4093 施密特觸發(fā)器便可實(shí)現(xiàn)整形功能，改善脈沖波形，確保后續(xù)編碼器的正常編碼。 施密特觸發(fā)器不僅可以進(jìn)行波形整形，它的遲滯特性還可以有效地克服噪聲和干擾的影響，只要噪聲和干擾的大小處在遲滯寬度內(nèi)，就不會有錯(cuò)誤的輸出。如 圖 44。施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)，對于緩慢變化的信號仍然適用，當(dāng)輸入信號達(dá)到閾值電壓時(shí)，電路狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換，通過電路內(nèi)部的正反饋過程使得輸出電壓的波形的邊沿變得很陡峭。利用施密特觸發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)有效脈沖的識別見 圖 45。 圖 44 施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性 （ a） 同相輸出； （ b） 反相輸出 硬件設(shè)計(jì) 11 圖 45 利用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)有效脈沖的識別 編碼電路 [11] 對于 38 路信號通道，必須對其進(jìn)行編碼以便于信號識別和傳輸。 38 路信號按照設(shè)計(jì)方案編碼為 1－ 38 號，脫靶無信號記為 0 號。對多個(gè)探測器同時(shí)接收到信號的情況，對應(yīng)于探測器的碼號就是取碼號大的探測器為有效，采用優(yōu)先編碼器便可實(shí)現(xiàn)編碼的優(yōu)先選擇。 商用的單個(gè)優(yōu)先編碼器的編碼輸入最多只有 8 路，要構(gòu)成更多路的優(yōu)先編碼