超高速攝影機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　邏輯電路XC95288的功能設(shè)計(jì)

　　XC95288是Xilinx公司的在系統(tǒng)可編程CPLD器件，主要用來(lái)完成邏輯控制和轉(zhuǎn)鏡速度測(cè)量等功能，其控制的內(nèi)容包括轉(zhuǎn)鏡速度和外部同步信號(hào)的讀取、控制機(jī)械快門(mén)、脈沖氙燈以及觸發(fā)目標(biāo)，同時(shí)也控制MAX485等芯片實(shí)現(xiàn)與上位控制計(jì)算機(jī)的半雙工通信。

　　XC95288與MAX485的連接電路如圖3所示。

　　超高速攝影機(jī)需要將轉(zhuǎn)鏡加速到預(yù)定的拍攝速度，并能夠維持?jǐn)?shù)秒(維持時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則將損壞電機(jī))，以等待拍攝目標(biāo)的到來(lái)。因此要設(shè)定拍攝速度的自動(dòng)選擇環(huán)節(jié)，當(dāng)轉(zhuǎn)鏡速度達(dá)到預(yù)定的轉(zhuǎn)速時(shí)，它能自動(dòng)給出信號(hào)以穩(wěn)定電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)攝影頻率為500萬(wàn)幀/秒=5×106fps時(shí)，拍攝320個(gè)畫(huà)幅對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)角度為120°，此時(shí)轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速n為：n=(120/360)fω/N=(1/3)×5×106/320=5208.33rps=312500.0rpm。

　　為了測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速是否達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，這里設(shè)計(jì)一個(gè)速度測(cè)量電路，其參數(shù)如下：(a)頻率測(cè)量范圍：10Hz~1MHz;(b)測(cè)量分辨率：1Hz;(c)測(cè)量通道靈敏度：50mVpp;(d)通道輸入阻抗：≥100kΩ。

　　(1)電機(jī)信號(hào)整形電路

　　電機(jī)轉(zhuǎn)速輸入的速度頻率信號(hào)是方波，并且信號(hào)的測(cè)量通道靈敏度為50mVpp，為此需要將速度信號(hào)放大整形成標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平的方波信號(hào)，便于XC95288對(duì)信號(hào)脈沖的計(jì)數(shù)，放大電路需要將最小為Vpp=50mV的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形后變成Vpp=5V電平，并且前向通道電阻≥100kΩ，則放大電路的電壓放大倍數(shù)為：

　　輸入電阻Ri≥100kΩ，并且工作頻率要求為10Hz~1MHz，由上述要求選用了AD8014，其3dB帶寬為140MHz，符合放大要求，而整形電路采用施密特觸發(fā)器74HC14。具體電路如圖4所示。

　　第一級(jí)射級(jí)跟隨器提高了輸入阻抗，使其滿足Ri≥100kΩ的要求，使得信號(hào)基本上送入后級(jí)，再經(jīng)過(guò)兩級(jí)的放大使信號(hào)放大，最后經(jīng)施密特觸發(fā)器整形成比較好的方波信號(hào)，為后面的處理提供信號(hào)。

　　(2)電機(jī)速度頻率測(cè)量電路

　　XC95288主要實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行處理，并通過(guò)串口發(fā)送到PC上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。這里采用有源晶振40MHz進(jìn)行分頻得到計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘為電機(jī)速度頻率測(cè)量提供精度相對(duì)較高的時(shí)基信號(hào)，其時(shí)間的穩(wěn)定性和精度將會(huì)直接影響到測(cè)量的準(zhǔn)確性。

　　用XC95288實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度測(cè)量的電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。