测控电路课程设计测速靶.doc

中 北 大 学课程设计任务书学 院：仪器与电子学院或信息商务学院专 业：测控技术与仪器学 生 姓 名：学 号：设计题目：测速靶起 迄 日 期:年 月 日 年 月 日设计地点:07103;中北大学主楼指 导 教 师:郝晓剑专业负责人:张志杰发任务书日期: 年 月 日课 程 设 计 任 务 书1课程设计课题的任务和要求：设计要求： 写出你考虑该问题的基本设计思路，画出一个实现电路功能的大致框图。 画出框图中的各部分电路，尽量选用各种集成运放和其它模拟集成电路。对各 部分电路的工作原理应作出说明。 画出整个设计电路的原理电路图，并简要地说明电路的工作原理。 所要求的图纸均用A4，设计报告文字通顺，清晰，原理要表达清楚。2课程设计课题的具体工作内容（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：图1 信号处理流程图前置放大器延时电路被控设备或仪器封锁电路指示灯主放大器比较器1/2峰保跟随器比较器弹底触发弹头触发单稳态触发器电平转换电路输出自检脉冲下一靶封锁输入高速运动物体（以弹丸为例）穿越光幕靶过程中，产生触发计时脉冲的时刻，两靶必须统一，根据两靶触发计时脉冲之间的时间差t及靶距S便能获得飞行的速度，因此，只有保证t的准确性，才能确保测速精度。系统中选择子弹过靶信号由峰值跌落一半时作为触发点，产生触发计时脉冲。如图2所示为信号处理电路输入波形，请设计图1所示框图中各单元电路，并分析其工作原理，画出输出波形。图2 典型子弹过靶信号波形课 程 设 计 任 务 书3对课程设计课题成果的要求：任务书和报告各一份4课程设计课题工作时间及评分依据：时 间 安 排评 分 依 据1、12月25号下午3点（-）交设计思路；2、12月30号下午3点（-）交原理说明和电路图，3、1月6号上午9点（-）交设计报告并答辩。 （地点根据具体情况进行修改）设计思路，单元电路正确与否，整体电路是否完整，电路原理说明是否正确，报告是否清晰，答辩过程中回答问题是否正确。所在专业审查意见：负责人： 年 月 日测控电路设计专 业：测控技术与仪器班 级：姓 名： 学 号：测速靶课程设计1. 设计思路激光测速靶利用光测法测量弹丸速度的装置。采用区截测速法，它是弹丸在通过间距为L精确已知的两点时，产生两个电信号，并利用他们去控制测试仪器，测出物体通过这段距离所需时间t，然后根据公式v=L/t，计算出物体通过这段距离的平均速度。这套装置有启动靶和停止靶两个光幕，半导体激光器为光源。激光发射后，由反射屏反射后经光电探测器系统获取信号后，经过放大电路后处理信号，经比较器、单稳态触发器后转换信号，输出过靶信号的波形，进而进行测速。2. 设计方案2.1 测速靶方案设计2.1.1主要技术指标目标大小：20200mm；测量距离：3m；有效视场角：；激光幕厚夹角：；电动升降台：11.5m高低可调，用于放置仪器箱；定向反射屏有效尺寸：0.02m1.5m；定向反射屏架有效区底部离地高度调节范围：0.51m；信号输出形式：脉冲信号（幅度12V，宽度10ms）；信号及控制电缆长度：100m2.1.2测速靶工作原理光幕探测器主体由两部分组成：发射装置和接收装置。发射装置的光经过光阑进入接收装置的光电探测器件，光阑与发射装置的共同作用，在发射装置与接收装置之间就形成了一个具有一定厚度的薄形光幕面，称之为光幕。在弹丸穿过光幕时会遮住一部分光线，此时接收装置中的光电探测器接收到的光通量发生变化而产生微弱变化的光电流信号，经过电路处理，将微弱变化的信号放大、整形最终以数字信号输出。弹丸依次穿过两个光幕，测时系统记录弹丸穿过两个光幕靶间的时间，依据距离与时间的关系可测得弹丸在该区截段内的速度。计时仪给出飞过两靶之间距离的时间T，弹丸在此距离S内的平均速度口。在计时仪测速中，通常称开始计时的信号为启动信号，停止计时的信号为停止信号。给出启动信号或停止信号的装称为区截装置，两信号之间的时间间隔记录装置称为计时仪靶1和靶2分别为启动信号和停止信号的区截装置，两区截装置之间的弹道线长度L2通常称为靶距。在计时仪测速中，第一个区截装置启动计时仪开始计时，第二个区截装置终止计时仪停止计时。计时仪记录的时间T代表了弹丸飞过靶距L2所经历的时间。测速系统主要是测出靶距L2和时间T，并由此换算出弹丸在此距离上的平均速度。本设计采用分离型激光启动靶（FL-JG），由启动靶主机和微珠玻璃原向反射屏组成，装置如图一所示。激光测速靶是光电靶的一种。激光测速靶就是一种利用光测法测量弹丸速度的测试装置，它由启动靶和停止靶组成，其光源为半导体激光器，激光束由光学系统的透镜组展成光幕，弹丸过靶时，经柱面反射镜或原向反射屏反射后由光电探测器获取弹丸的过靶信号，在经信号处理电路处理得到启动和停止的弹丸过靶波形，通过同轴电缆与数据采集卡相连，所得数据经计算机处理后得到弹丸速度。为了提高可靠性，启动靶和停止靶各设有距离相等的两个光幕，对每发射击得到两个区截速度，如果两个数据一致，则数据可靠。计算机还通过控制电缆与激光器连接，以提供测速靶自检脉冲，实现计算机对测速靶的控制。自检脉冲发至激光靶后，由时序脉冲发生器产生四个时序脉冲，分别送至各靶调制半导体激光器，在由光电探测器测信号，将触发计时脉冲送回计算机已完成自检。图1 装置结构示意图2.1.2测速靶结构布置如图2所示，由四个激光光幕组成的两个区截装置，分别叫做启动靶和停止靶。两个框架之间的距离可以任意的调整。每个框架上有两个激光光幕，两个光幕之间的距离相等。有效的靶区它是由半导体激光光源阵列，光电探测器构成。一系列的激光光源形成了一个矩形的网状光幕，垂直于靶体。但有过靶信号时，激光光幕的光通量会发生改变，光电探测器会记录弹丸的待测信号。图2 测速靶布置图2.2 设计原理框图图3 信号处理流程图3. 单元电路工作原理及设计3.1 光电探测系统系统中光电探测及信号处理电路要实现的功能是，当运动物体飞行穿过光幕有效靶区时，由光敏管将变化的光通量转变为电信号，并进一步放大到35的幅度。系统采用如图3所示差动光电接收电路。半导体激光器发出的单色光经透镜聚焦、柱面镜扩束后展成具有一定发散角的扇形光幕，光幕由原向屏反射后，再经球面反射镜会聚到主光电探测器F2上。为补偿环境光影响，利用参考光电探测器F1获取环境光信号，与主光电探测器的信号在前置放大器进行差分。当弹丸穿过该光幕靶的有效靶区时，阻挡部分光线，等弹丸穿过后光信号又恢复正常。主光电探测器将变化的光通量转换成电流信号，经放大后得到弹丸过靶的电压信号，该信号经处理后可获取过靶波形。在自检时，从IN端输入一定宽度的自检脉冲信号，利用模拟开关SW的通断使前置放大器输出的直流电压发生变化，形成一脉冲信号，模拟弹丸的过靶信号，来检测后级信号处理电路工作是否正常。图4 光电转换前置放大电路3.2 信号处理电路前置放大器的功能是实现电流-电压的转换，并有一定的放大作用。主放大器的作用是将前置放大器输出的微弱信号进一步放大，使之能达到12V的输出幅度，获取过靶波形。从主放大器输出的信号由开关控制分为两路，一路为弹头触发模式，另一路为弹底触发模式。图5 信号处理电路3.3 计时脉冲发生器子弹穿越光幕靶的过程中，产生触发计时脉冲的时刻，两把必须统一，根据两靶触发计时脉冲之间的时间差t及靶距S便能得到飞行的速度。因此，保证t的准确性是确保测速精度的前提。本设计系统中经主放大器进一步放大信号后选择弹底触发模式。常规弹底触发电路图如图6所示。图6常规弹底触发电路图系统中选择子弹过靶信号由峰值跌落一半时作为触发点，产生触发计时脉冲脉冲。典型子弹过靶信号波形如图7示。图7典型子弹过靶信号波形3.3.1 选择峰值跌落一半时产生触发计时脉冲脉冲的意义可以使得由于子弹着靶位置不同及光源和电子器件不稳定引起的过靶信号幅值不同，不会影响触发计时脉冲产生的时刻，使t误差降到最小，从而大大提高测速精度。3.3.2 触发计时脉冲实现电路如图8示，由主放大器输出的信号经电容耦合，一路为跟随器电路，由LF353跟随输出，通过与LM311比较器桐乡段相连；另一路为峰保电路，经电阻分压输入给LF353同相端，LF353与二极管，电容器，电阻器组成峰值保持电路。由于有用信号上总是叠加着噪声，为抑制噪声，选用由LM311，组成的滞回比较器，与峰值保持电路一起在峰值跌落一半处产生一个上升沿，去触发由74LS221组成的不可重复的单稳态触发器产生标准计时脉冲，脉宽由、确定。图8触发器计时脉冲电路3.3.3 其他图9电平转换电路图10延时电路4.参数计算电路中实现峰值跌落一半产生计时脉冲主要靠、的分压比为K=/（+），则经峰值保持后，LM311反相端的保持值即为KV。设U、U分别为LM311同相端与反相端的电位。令,可得假设主放大器输出电压的峰值为，由、决定的分压比为=0.5，令=0V即（输出平）与=5V（输出高电平）分别代入，可得该滞回比较器的两个阈值高电平阈值低电平阈值根据所选74LS221真值表，要实现峰值跌落一半触发，要使则产生触发脉冲的条件而是比较回差，该值越大说明抑制噪声抗误触发的能力越强，比较回差越大K值越小，即峰值保持值小，当适当选取。系统中取=2k,=15k,回差值等于0.4V,。因此、要取值相等。5.整体电路图6.波形图7.小结通过这次课程设计，查阅了很多相关资料研究，对激光测速靶有了一定的认识和了解。知道了测速靶的发展历史，接触靶和非接触靶的区别以及现今的测速技术。激光器的型号也了解了一些，性能和价格千差万别，有的准