引言

線圈炮的測(cè)試和研究需要對(duì)大功率脈沖電容器上的電壓進(jìn)行測(cè)量。即在電容的額定電壓下對(duì)電容進(jìn)行不同電壓的充電，然后再對(duì)線圈進(jìn)行放電試驗(yàn)以獲取彈丸的速度等重要參數(shù)。因此，高電壓的測(cè)量對(duì)于線圈炮的理論及實(shí)驗(yàn)研究具有重要意義。該實(shí)驗(yàn)室電容器組中的最小額定電壓為5 kV，最高為100 kV，因此，準(zhǔn)確、安全的獲得高電壓值已成為亟待解決的問(wèn)題。

1、 高電壓測(cè)量裝置的組成原理

本文所設(shè)計(jì)的基于光纖傳輸?shù)母唠妷簻y(cè)量裝置由高電壓分壓器、V／F （電壓／頻率）轉(zhuǎn)換器、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、光纖、單片機(jī)計(jì)算系統(tǒng)、LED顯示電路等組成。此裝置相對(duì)來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，操作方便，而且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，利用光纖傳輸能夠滿足遠(yuǎn)距離測(cè)量要求。其基本工作原理框圖如圖1所示。

2、 硬件設(shè)計(jì)

本測(cè)量裝置由高電壓分壓器、V／F（電壓／頻率）轉(zhuǎn)換器、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、光纖傳輸、單片機(jī)計(jì)算系統(tǒng)、LED顯示等電路構(gòu)成。整個(gè)裝置以單片機(jī)為核心，并配以一定的外圍電路和軟件，從而實(shí)現(xiàn)特定的檢測(cè)功能。

2.1 高壓分壓電路的設(shè)計(jì)

高壓分壓電路就是按一定分壓比將被測(cè)高電壓變?yōu)榭梢詼y(cè)量的低電壓信號(hào)。其實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)分壓電阻來(lái)對(duì)其分壓，其電路原理如圖2所示。其中，輸入高電壓Ui經(jīng)分壓電阻分壓后與輸出低電壓Uout的分壓比為：

n=R0／（R0+R）

由于R》》R0，所以可取n=R0／R，即：Uout=nUi。

設(shè)計(jì)時(shí)，選擇合適且物理性質(zhì)相似的電阻．可以提高分壓精度，因?yàn)樗_定的分壓比只與電阻的阻值有關(guān)。另外，在高壓電路中，也要求電阻具有較高的耐壓和耐熱特性。

2.2 電壓／頻率轉(zhuǎn)換電路

VFC32是美國(guó)Burr-Brow公司生產(chǎn)的VFC系列產(chǎn)品之一，它可以把輸入模擬電壓變換成相應(yīng)頻率的輸出脈沖。利用它可以很方便地進(jìn)行調(diào)頻模擬信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)。這樣，選擇合適的外圍元件便可以輸出與輸入電壓信號(hào)成一定比例關(guān)系的頻率信號(hào)。

VFC32的最高工作頻率為500 kHz。該器件的變換線性度很好，在10 kHz滿刻度頻率時(shí)，其最大非線性誤差僅為±0.01％，而在100 kHz滿刻度頻率時(shí)僅為±0.05％。該電路的雙電源工作電壓為±15 V，并可在±11～±20 V之間變化。

利用VFC32和相應(yīng)的外接電路可以實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的轉(zhuǎn)換。圖3所示是其壓／頻變換原理圖。設(shè)輸出脈沖的頻率為fout，周期為TOUT，單穩(wěn)態(tài)輸出脈寬為Tos（Tos=7500 C1），那么，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室大功率脈沖電容上所測(cè)電壓的范圍及分壓器的分壓比便可確定R1和C1的具體數(shù)值。根據(jù)V／F轉(zhuǎn)換器的輸出頻率可得出下列公式：

可見(jiàn)，V／F轉(zhuǎn)換器的輸出頻率fout與輸入電壓Ui成線性關(guān)系。

2.3 光電信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，然后通過(guò)光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，即可實(shí)現(xiàn)高電壓與測(cè)量裝置的隔離，從而保證人員的安全。通過(guò)光纖傳輸光信號(hào)是，應(yīng)先經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換裝置將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后進(jìn)人單片機(jī)以測(cè)量相應(yīng)的頻率，進(jìn)而根據(jù)頻率與輸入電壓的關(guān)系求出高電壓值。

光信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)的硬件由干電池、光纖收發(fā)器件和光纖組成。選擇光纖收發(fā)器件時(shí)，為了保證光信號(hào)很好的傳輸至光纖，須采用發(fā)散小、穿透力強(qiáng)的束狀光纖，然后通過(guò)光纖傳導(dǎo)裝置把光信號(hào)引出到光電轉(zhuǎn)換裝置。為此，可選用安華高科（Avago TECHNOLOGIES）公司的HFBR-1521Z，HFBR-2521Z光纖收發(fā)器。這組光纖收發(fā)器的最高傳輸速率為5MBd，完全可以滿足頻率信號(hào)的范圍。其工作原理如圖4所示。

光纖傳輸損耗小，且不易受外界條件的干擾，是光信號(hào)傳播的理想介質(zhì)。在選擇光纖的種類時(shí)，必須兼顧多方面的要求。塑料光纖靈活柔韌，適用溫度范圍教大，且不易斷裂，可承受較大的應(yīng)力載荷、撓曲與振動(dòng)，并可與所選光電器件配合使用，因而比較適合在實(shí)驗(yàn)室布線使用。

本系統(tǒng)選用AT89C51單片機(jī)，并將頻率信號(hào)按圖5所示方式接人單片機(jī)。

本設(shè)計(jì)采用6位數(shù)碼管來(lái)顯示范0～20 kV的高電壓，并采用動(dòng)態(tài)顯示方式，數(shù)碼管選用共陽(yáng)極模式。動(dòng)態(tài)顯示可簡(jiǎn)化硬件電路，通常可將所有位的相應(yīng)段選線并聯(lián)在一起，以形成段選線的多路復(fù)用。而各位的共陽(yáng)極分別由相應(yīng)的I／O口控制，從而實(shí)現(xiàn)各位的分時(shí)選通。本系統(tǒng)采用S8050來(lái)驅(qū)動(dòng)。其其連接方法如圖6所示。

3、 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用門信號(hào)GATE來(lái)啟動(dòng)定時(shí)器（如圖5所示），并設(shè)定定時(shí)器／計(jì)數(shù)器T0為定時(shí)器，INT0為高電平時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器；而設(shè)定定時(shí)器／計(jì)數(shù)器T1為計(jì)數(shù)器，T1的電平由1到0時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。

3.1 定時(shí)器設(shè)置

設(shè)置定時(shí)器的基本定時(shí)為50μs便可滿足測(cè)量的精度要求。因此，可采用門控方式觸發(fā)啟動(dòng)定時(shí)器，定時(shí)器T0的TMOD設(shè)置格式如下（控制字為9H）：

3.2 計(jì)數(shù)器設(shè)置

設(shè)定定時(shí)器／計(jì)數(shù)器T1為計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)值為2。即當(dāng)計(jì)數(shù)到1時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器；當(dāng)計(jì)數(shù)到2時(shí)，中斷計(jì)數(shù)器T1。同時(shí)停止定時(shí)器的定時(shí)；在中斷方式，其計(jì)數(shù)器的優(yōu)先級(jí)高于定時(shí)器T0。計(jì)數(shù)器T1的TMOD的設(shè)置格式如下（控制字符為5H）：

計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)初值為0FFFEH，預(yù)置為：（TH1）=0FFH，（TL1）=0FEH。

3.3 軟件程序代碼

對(duì)于單片機(jī)所測(cè)得的頻率信號(hào)，可經(jīng)過(guò)預(yù)先的算法將其換算成相應(yīng)的高電壓值，然后通過(guò)數(shù)碼管顯示。高電壓范圍為0～20 kV，分壓比為1：2000，其頻率信號(hào)與高電壓的換算關(guān)系式為：

由于篇幅所限，本文只給出頻率測(cè)量部分的軟件代碼，而省去了高電壓值換算和LED數(shù)碼顯示部分的軟件代碼。其頻率測(cè)量部分的軟件代碼如下：

4、 結(jié)束語(yǔ)

電磁發(fā)射技術(shù)是一種極有前途和發(fā)展?jié)摿Φ耐七M(jìn)技術(shù)，是發(fā)射理論和技術(shù)領(lǐng)域的一次飛躍。它為解決人們對(duì)超高速、大質(zhì)量發(fā)射的要求開(kāi)辟了一條新的途徑。本文結(jié)合電磁線圈炮高功率脈沖電容的高電壓特點(diǎn)，并通過(guò)測(cè)量模型的建立，具體設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)電路，并給出了軟件的編寫(xiě)方法。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，此高電壓測(cè)量裝置的性能完全達(dá)到了預(yù)期的效果，而且具有較高的測(cè)量精度和良好的抗電磁干擾能力。

責(zé)任編輯：gt