基于CPLD的數(shù)字濾波抗干擾電路設(shè)計(jì)

紅外密集度光電立靶測(cè)試系統(tǒng)是一種用于測(cè)量低伸彈道武器射擊密集度的新型的測(cè)試系統(tǒng)，它既可用于金屬?gòu)椡璧臏y(cè)試，又可測(cè)試非金屬?gòu)椡?，具有反映靈敏、精度高而穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、容易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，已被許多靶場(chǎng)投入使用。

光電靶的基本原理是：當(dāng)光幕內(nèi)的光通量發(fā)生足夠大的變化時(shí)，光電傳感器會(huì)響應(yīng)這種變化而產(chǎn)生電信號(hào)。這就是說(shuō)，一些非彈丸物體在穿過(guò)光幕時(shí)也會(huì)使光幕內(nèi)的光通量發(fā)生變化以使光電傳感器產(chǎn)生電信號(hào)。從原理上講。這種現(xiàn)象并非異常，而從測(cè)試來(lái)講，則屬于干擾。在具體靶場(chǎng)測(cè)試中，當(dāng)干擾嚴(yán)重時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)試無(wú)法進(jìn)行，從而給測(cè)試工作帶來(lái)困難。因此，如何排除干擾，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，是一個(gè)必須解決的問(wèn)題。

紅外密集度光電立靶測(cè)試系統(tǒng)在使用中會(huì)受到各種干擾，其中影響最大的有三種：一是“蚊蟲(chóng)”干擾，即指蚊蟲(chóng)等低速物體飛過(guò)紅外光幕時(shí)引起的誤觸發(fā)現(xiàn)象；二是“沖擊波”干擾，指在亞音速?gòu)椡铚y(cè)試中，由于音速高于彈速使得聲波先于彈丸到達(dá)光幕而引起的誤觸發(fā)現(xiàn)象：三是一些伴隨彈丸穿過(guò)光幕的細(xì)小物體和外界光線的變化所引起光幕內(nèi)光通量的變化而產(chǎn)生的干擾信號(hào)，但這種信號(hào)幅值一般都較小。

1 理論分析

光電靶在工作時(shí)，光電傳感器會(huì)響應(yīng)光幕內(nèi)光通量的變化，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯碾娦盘?hào)，經(jīng)放大后進(jìn)入電壓比較器。當(dāng)其幅值高于預(yù)定基準(zhǔn)時(shí)，則電壓比較器翻轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。

由于隨彈丸穿過(guò)光幕的細(xì)小物體和外界光線變化產(chǎn)生的信號(hào)幅值比較小，因此，通過(guò)對(duì)電壓比較器設(shè)置合適的比較門限便可濾除這種信號(hào)。在靶廠實(shí)際測(cè)試中，這種干擾信號(hào)幅值一般小于0.8 V，這樣，只要在電路中將電壓比較器的門限電平設(shè)為0.8 V便可消除這種干擾。

根據(jù)光電靶的工作原理，穿過(guò)光幕的飛行物體速度不同，遮擋光幕的時(shí)間就不同，電路中比較器所產(chǎn)生的方波脈沖的寬度也就不同。與彈丸相比，蚊蟲(chóng)的飛行速度要低得多，當(dāng)蚊蟲(chóng)穿過(guò)光幕時(shí)，產(chǎn)生的方波脈沖的寬度要比彈丸產(chǎn)生的寬；而在亞音速?gòu)棞y(cè)試中，彈丸速度低于聲速，這樣，由聲波引起的脈沖寬度將小于彈丸產(chǎn)生的方波脈沖寬度。因此，從原理上說(shuō)，在比較器后利用濾波電路來(lái)濾除干擾信號(hào)是有可能的。

2 利用CPLD實(shí)現(xiàn)濾波及抗干擾

本文所給出的電路的主要功能是抗沖擊波和蚊蟲(chóng)干擾，并把有效彈丸信號(hào)變成脈沖寬度為50μs的信號(hào)，然后輸出到下級(jí)電路進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)中采用的芯片是MAX7000系列的EPM7128SLC84-15芯片。下面就如何實(shí)現(xiàn)濾波和抗干擾作以詳細(xì)介紹。

2.1 電路原理

物體穿過(guò)光幕時(shí)所產(chǎn)生的方波脈沖寬度可用下式計(jì)算：

式中，ι為飛行物的長(zhǎng)度，d為光幕面的厚度，υ為飛行物的速度。若沖擊波以聲速計(jì)算(υ為340 m／s)，d=3 mm，則沖擊波穿過(guò)光幕所產(chǎn)生的方波信號(hào)脈沖寬度約為8.8μs；若υ為330 m／s，則t1約等于9.1μs。若蚊蟲(chóng)等飛行物飛行速度υ為20 m／s。物體長(zhǎng)度ι大約為10 mm，則蚊蟲(chóng)飛過(guò)光幕產(chǎn)生的方波信號(hào)脈沖寬度t2約為650μs。一般情況下，紅外密集度立靶測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)試的彈丸彈速范圍為200～1200 m／s，主要是5.8 mm、7.62mm、9 mm三種彈，沖擊波的影響主要產(chǎn)生于對(duì)9x19 mm的手槍彈的測(cè)量，該彈丸彈速約為320m／s。根據(jù)彈速和彈長(zhǎng)可知，彈丸穿過(guò)光幕產(chǎn)生的方波信號(hào)脈沖寬度t3為37.5μs。

根據(jù)靶場(chǎng)實(shí)際測(cè)試情況，彈丸穿過(guò)光幕時(shí)產(chǎn)生的方波信號(hào)脈沖寬度基本都小于150μs且大于10μs，故可認(rèn)為，脈沖寬度大于150μs和小于l0μs的信號(hào)為無(wú)效信號(hào)，應(yīng)進(jìn)行剔除，這樣就可將蚊蟲(chóng)干擾信號(hào)和沖擊波信號(hào)濾除，從而達(dá)到抗干擾的目的。

2.2 抗沖擊波電路

圖1所示是該系統(tǒng)中的沖擊波濾除電路。圖2是其仿真波形。圖中，當(dāng)PULSE_IN端出現(xiàn)一個(gè)正跳變時(shí)，上跳沿使得觸發(fā)器Dl的輸出端產(chǎn)生一個(gè)高電平信號(hào)，以啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器計(jì)滿后便在輸出端產(chǎn)生一個(gè)正跳變，該上升沿又使觸發(fā)器D3的輸出端產(chǎn)生一個(gè)高電平信號(hào)。將這兩個(gè)信號(hào)相與便可得到輸出信號(hào)PULSE_OUT1。而PULSE_IN的下降沿到來(lái)時(shí)，系統(tǒng)又會(huì)將計(jì)數(shù)器和三個(gè)觸發(fā)器同時(shí)清零，以等待下一個(gè)信號(hào)到來(lái)。由仿真波形圖可知，當(dāng)PULSE_IN的脈寬小于設(shè)定計(jì)時(shí)寬度時(shí)，便可認(rèn)為是干擾信號(hào)并使PULSE_OUT1為低；而當(dāng)PULSE_IN的脈寬大于設(shè)定計(jì)時(shí)寬度且仍為高時(shí)，則認(rèn)為信號(hào)有效。PULSE_OUT1為高時(shí)，它在PULSE_IN的下降沿變?yōu)榈碗娖剑缘却乱恍盘?hào)到來(lái)。

 2.3 抗蚊蟲(chóng)干擾電路

圖3和圖4分別是該系統(tǒng)的抗蚊蟲(chóng)干擾電路及其仿真波形。圖中，當(dāng)PULSE_OUT1有一個(gè)正跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器計(jì)滿則在cout端產(chǎn)生一個(gè)正跳變，并經(jīng)反相后加在觸發(fā)器D4的輸入端，當(dāng)PULSE_OUT1的下降沿到來(lái)時(shí)，觸發(fā)器D4的輸出端仍輸出低電平信號(hào)，輸出信號(hào)PULSE_OUT2為低，此時(shí)若PULSE_OUT1的脈沖寬度大于等于計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)寬度，PULSE_OUT2端輸出低電平；若計(jì)數(shù)器未滿，則cout端將不會(huì)有上升沿，觸發(fā)器D4的輸入端為高，并使PULSE_OUT1的下降沿觸發(fā)器D4的輸出端為高，同時(shí)，輸出信號(hào)PULSE_OUT2為高。而當(dāng)PULSE_OUT1的脈沖寬度小于計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)寬度時(shí)，PULSE_OUT2端輸出高電平，同時(shí)在PULSE_OUT1上升沿到來(lái)時(shí)，觸發(fā)器D6的輸出端輸出高電平并經(jīng)反相器后將觸發(fā)器D4和D6同時(shí)清零，以等待下一信號(hào)的到來(lái)。

2.4 脈寬設(shè)定電路

為了保證彈丸穿過(guò)光幕所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)能夠適合后續(xù)處理電路的需要，本設(shè)計(jì)將彈丸穿過(guò)光幕產(chǎn)生的脈沖信號(hào)全部變?yōu)槊}寬為50μs的脈沖信號(hào)再輸出給后續(xù)電路。圖5和圖6分別是其脈寬設(shè)定電路及其仿真波形圖。圖中，當(dāng)PULSE_OUT2有一個(gè)正跳變時(shí)，觸發(fā)器D7的輸出端輸出高電平并啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿時(shí)，計(jì)數(shù)器cout出現(xiàn)上升沿，觸發(fā)器D8的輸出端輸出高電平，此高電平信號(hào)將計(jì)數(shù)器清零，同時(shí)經(jīng)反相器反相后接到觸發(fā)器

在這種情況下，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)電路來(lái)說(shuō)，當(dāng)PULSE_IN上跳沿到來(lái)并經(jīng)過(guò)抗沖擊波電路后，若信號(hào)脈寬小于10μs，則輸出PULSE_OUT為低電平；作用就是若信號(hào)脈寬大于10μs，則啟動(dòng)抗蚊蟲(chóng)干擾電路；若信號(hào)脈寬大于150μs，輸出PULSE OUT則為低電平；而若脈寬小于150μs，則經(jīng)過(guò)脈寬設(shè)定電路變成寬度為50μs的信號(hào)輸出，從而使PULSE_OUT輸出寬度為50μs的脈沖信號(hào)。

通過(guò)上述分析可知，應(yīng)用CPLD可編程邏輯器件所設(shè)計(jì)的抗干擾電路具有信號(hào)可靈活調(diào)節(jié)、脈寬修改方便、對(duì)輸入信號(hào)的脈寬適應(yīng)能力強(qiáng)、可調(diào)節(jié)范圍大、輸出的脈沖寬度和幅值穩(wěn)定準(zhǔn)確等特點(diǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在測(cè)試彈丸射擊密集度時(shí)，可利用CPLD器件設(shè)計(jì)抗干擾電路來(lái)消除沖擊波和蚊蟲(chóng)干擾信號(hào)。本文給出的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，能有效地消除干擾脈沖，從而保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。經(jīng)重慶某靶場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用證明，本電路具有良好的效果。