基于CPLD的數(shù)字濾波抗干擾電路設(shè)計

紅外密集度光電立靶測試系統(tǒng)是一種用于測量低伸彈道武器射擊密集度的新型的測試系統(tǒng)，它既可用于金屬彈丸的測試，又可測試非金屬彈丸，具有反映靈敏、精度高而穩(wěn)定、操作簡單、容易維護等優(yōu)點，已被許多靶場投入使用。

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，光電傳感器會響應(yīng)這種變化而產(chǎn)生電信號。這就是說，一些非彈丸物體在穿過光幕時也會使光幕內(nèi)的光通量發(fā)生變化以使光電傳感器產(chǎn)生電信號。從原理上講。這種現(xiàn)象并非異常，而從測試來講，則屬于干擾。在具體靶場測試中，當(dāng)干擾嚴重時，可能會導(dǎo)致測試無法進行，從而給測試工作帶來困難。因此，如何排除干擾，保證系統(tǒng)的正常運行，是一個必須解決的問題。

紅外密集度光電立靶測試系統(tǒng)在使用中會受到各種干擾，其中影響最大的有三種：一是“蚊蟲”干擾，即指蚊蟲等低速物體飛過紅外光幕時引起的誤觸發(fā)現(xiàn)象；二是“沖擊波”干擾，指在亞音速彈丸測試中，由于音速高于彈速使得聲波先于彈丸到達光幕而引起的誤觸發(fā)現(xiàn)象：三是一些伴隨彈丸穿過光幕的細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，但這種信號幅值一般都較小。

1 理論分析

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

由于隨彈丸穿過光幕的細小物體和外界光線變化產(chǎn)生的信號幅值比較小，因此，通過對電壓比較器設(shè)置合適的比較門限便可濾除這種信號。在靶廠實際測試中，這種干擾信號幅值一般小于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，穿過光幕的飛行物體速度不同，遮擋光幕的時間就不同，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，蚊蟲的飛行速度要低得多，當(dāng)蚊蟲穿過光幕時，產(chǎn)生的方波脈沖的寬度要比彈丸產(chǎn)生的寬；而在亞音速彈測試中，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，在比較器后利用濾波電路來濾除干擾信號是有可能的。

2 利用CPLD實現(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干擾，并把有效彈丸信號變成脈沖寬度為50μs的信號，然后輸出到下級電路進行處理。設(shè)計中采用的芯片是MAX7000系列的EPM7128SLC84-15芯片。下面就如何實現(xiàn)濾波和抗干擾作以詳細介紹。

2.1 電路原理

物體穿過光幕時所產(chǎn)生的方波脈沖寬度可用下式計算：

式中，ι為飛行物的長度，d為光幕面的厚度，υ為飛行物的速度。若沖擊波以聲速計算(υ為340 m／s)，d=3 mm，則沖擊波穿過光幕所產(chǎn)生的方波信號脈沖寬度約為8.8μs；若υ為330 m／s，則t1約等于9.1μs。若蚊蟲等飛行物飛行速度υ為20 m／s。物體長度ι大約為10 mm，則蚊蟲飛過光幕產(chǎn)生的方波信號脈沖寬度t2約為650μs。一般情況下，紅外密集度立靶測試系統(tǒng)所測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9x19 mm的手槍彈的測量，該彈丸彈速約為320m／s。根據(jù)彈速和彈長可知，彈丸穿過光幕產(chǎn)生的方波信號脈沖寬度t3為37.5μs。

根據(jù)靶場實際測試情況，彈丸穿過光幕時產(chǎn)生的方波信號脈沖寬度基本都小于150μs且大于10μs，故可認為，脈沖寬度大于150μs和小于l0μs的信號為無效信號，應(yīng)進行剔除，這樣就可將蚊蟲干擾信號和沖擊波信號濾除，從而達到抗干擾的目的。

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)一個正跳變時，上跳沿使得觸發(fā)器Dl的輸出端產(chǎn)生一個高電平信號，以啟動計數(shù)器開始計數(shù)。計數(shù)器計滿后便在輸出端產(chǎn)生一個正跳變，該上升沿又使觸發(fā)器D3的輸出端產(chǎn)生一個高電平信號。將這兩個信號相與便可得到輸出信號PULSE_OUT1。而PULSE_IN的下降沿到來時，系統(tǒng)又會將計數(shù)器和三個觸發(fā)器同時清零，以等待下一個信號到來。由仿真波形圖可知，當(dāng)PULSE_IN的脈寬小于設(shè)定計時寬度時，便可認為是干擾信號并使PULSE_OUT1為低；而當(dāng)PULSE_IN的脈寬大于設(shè)定計時寬度且仍為高時，則認為信號有效。PULSE_OUT1為高時，它在PULSE_IN的下降沿變?yōu)榈碗娖?，以等待下一信號到來?/P>

 2.3 抗蚊蟲干擾電路

圖3和圖4分別是該系統(tǒng)的抗蚊蟲干擾電路及其仿真波形。圖中，當(dāng)PULSE_OUT1有一個正跳變時，計數(shù)器開始計數(shù)，計數(shù)器計滿則在cout端產(chǎn)生一個正跳變，并經(jīng)反相后加在觸發(fā)器D4的輸入端，當(dāng)PULSE_OUT1的下降沿到來時，觸發(fā)器D4的輸出端仍輸出低電平信號，輸出信號PULSE_OUT2為低，此時若PULSE_OUT1的脈沖寬度大于等于計數(shù)器計時寬度，PULSE_OUT2端輸出低電平；若計數(shù)器未滿，則cout端將不會有上升沿，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，輸出信號PULSE_OUT2為高。而當(dāng)PULSE_OUT1的脈沖寬度小于計數(shù)器計時寬度時，PULSE_OUT2端輸出高電平，同時在PULSE_OUT1上升沿到來時，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同時清零，以等待下一信號的到來。

2.4 脈寬設(shè)定電路

為了保證彈丸穿過光幕所產(chǎn)生的脈沖信號能夠適合后續(xù)處理電路的需要，本設(shè)計將彈丸穿過光幕產(chǎn)生的脈沖信號全部變?yōu)槊}寬為50μs的脈沖信號再輸出給后續(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有一個正跳變時，觸發(fā)器D7的輸出端輸出高電平并啟動計數(shù)器。當(dāng)計數(shù)器計滿時，計數(shù)器cout出現(xiàn)上升沿，觸發(fā)器D8的輸出端輸出高電平，此高電平信號將計數(shù)器清零，同時經(jīng)反相器反相后接到觸發(fā)器

在這種情況下，對于整個系統(tǒng)電路來說，當(dāng)PULSE_IN上跳沿到來并經(jīng)過抗沖擊波電路后，若信號脈寬小于10μs，則輸出PULSE_OUT為低電平；作用就是若信號脈寬大于10μs，則啟動抗蚊蟲干擾電路；若信號脈寬大于150μs，輸出PULSE OUT則為低電平；而若脈寬小于150μs，則經(jīng)過脈寬設(shè)定電路變成寬度為50μs的信號輸出，從而使PULSE_OUT輸出寬度為50μs的脈沖信號。

通過上述分析可知，應(yīng)用CPLD可編程邏輯器件所設(shè)計的抗干擾電路具有信號可靈活調(diào)節(jié)、脈寬修改方便、對輸入信號的脈寬適應(yīng)能力強、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。

3 結(jié)束語

在測試彈丸射擊密集度時，可利用CPLD器件設(shè)計抗干擾電路來消除沖擊波和蚊蟲干擾信號。本文給出的電路設(shè)計簡單可靠，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)重慶某靶場實際應(yīng)用證明，本電路具有良好的效果。