《電子技術(shù)應(yīng)用》
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微型脈沖供電式光電倒置開關(guān)
摘要: 針對(duì)存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)低功耗的要求, 研制了微型脈沖供電式光電倒置開關(guān)。介紹了研制背景和意義, 闡述了設(shè)計(jì)過(guò)程及工作原理。此種開關(guān)是一種新型開關(guān), 具有低電壓驅(qū)動(dòng)、低功率損耗、微小體積、延時(shí)功能和適用于批量生產(chǎn)的微型器件, 其工作時(shí)不需要人為接觸操作, 只需要將開關(guān)倒置, 就能實(shí)現(xiàn)關(guān)、開狀態(tài)的單向轉(zhuǎn)換。該微型開關(guān)是電源控制技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù), 也是實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)微功耗的關(guān)鍵部件, 實(shí)驗(yàn)已取得預(yù)期的效果。
Abstract:
Key words :

  在應(yīng)用存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí), 測(cè)試系統(tǒng)通常安裝在被測(cè)體上, 由于被測(cè)體所處的環(huán)境惡劣, 對(duì)測(cè)試系統(tǒng)提出了嚴(yán)格要求: 微體積、微功耗、高可靠性、耐高低溫、抗高沖擊和抗振動(dòng)等。微體積的要求使得存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)電源的體積要求極為苛刻, 為此要盡可能地降低整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的功耗。例如, 火炮膛壓測(cè)試是檢測(cè)火炮系統(tǒng)性能的重要手段, 中北大學(xué)研制的放入式電子測(cè)壓器在測(cè)量火炮膛壓時(shí), 必須隨彈藥保高溫( + 55 ℃) 或低溫( - 40℃) 或常溫( + 20℃) 達(dá)48 h, 放入式電子測(cè)壓器必須在彈藥保溫前放入藥筒中, 因此, 在保溫前把電子測(cè)壓器接通電源, 但是只維持等待工作狀態(tài)( 電流小于60uA ) , 在實(shí)彈射擊試驗(yàn)前通過(guò)某種微型倒置開關(guān)使電子測(cè)壓器進(jìn)入全工作狀態(tài)( 電流小于6mA) , 在火炮膛壓測(cè)試結(jié)束后測(cè)試系統(tǒng)又自動(dòng)轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)保持狀態(tài), 維持低功耗, 讀出數(shù)據(jù)后立刻斷電, 這樣可實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的微功耗。電源控制技術(shù)是存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)微功耗的關(guān)鍵技術(shù), 而微型倒置開關(guān)是實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)微功耗的關(guān)鍵部件。

  本文設(shè)計(jì)了一種基于CPLD 的脈沖驅(qū)動(dòng)、光電控制和在倒置時(shí)自動(dòng)延時(shí)輸出上電控制信號(hào)的微型開關(guān), 該技術(shù)已應(yīng)用于放入式電子測(cè)壓器, 已在國(guó)家靶場(chǎng)的火炮膛壓測(cè)試中成功應(yīng)用。

  1  系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

  微型脈沖供電式光電倒置開關(guān)由光電控制模塊和CPLD 控制模塊組成, 原理框圖如圖1 所示。

系統(tǒng)原理圖

  圖1 中D1 是紅外發(fā)光二極管, Q1 是光敏三極管, IR 是脈沖電壓信號(hào), ID 是光敏三極管的輸出信號(hào), PON 是延時(shí)上電控制信號(hào)。為了降低光電倒置開關(guān)的功耗, 光電控制模塊的紅外發(fā)光二極管采用脈沖驅(qū)動(dòng)方式。CPLD 控制模塊產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管的脈沖電壓信號(hào), 同時(shí)產(chǎn)生延時(shí)上電控制信號(hào)控制存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

  2  光電控制模塊設(shè)計(jì)

  光電控制模塊主要由光電耦合電路及光發(fā)射-接收結(jié)構(gòu)組成。光電耦合電路由紅外發(fā)光二極管、光敏三極管及限流電阻組成。光發(fā)射-接收結(jié)構(gòu)內(nèi)部是錐體結(jié)構(gòu), 外部是T 型結(jié)構(gòu), 小鋼球置于光發(fā)射-接收結(jié)構(gòu)的內(nèi)部, 小鋼球在其內(nèi)部能自由活動(dòng)。

  光發(fā)射-接收結(jié)構(gòu)的外壁上設(shè)置有透光孔, 紅外發(fā)光二極管和光電三極管光路對(duì)準(zhǔn)相對(duì)安裝在透光孔位置, 紅外光發(fā)射與接收的方式采用直射式, 如圖2所示。

光電射-接收結(jié)構(gòu)示意圖

  紅外發(fā)光二極管具有能耗小、響應(yīng)速度快、抗干擾能力和可靠耐用等優(yōu)點(diǎn)。紅外發(fā)光二極管作為發(fā)射器把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為紅外光信號(hào), 光敏三極管作為接收器, 接收到紅外光信號(hào)再將紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在本微型開光設(shè)計(jì)過(guò)程中選用與紅外發(fā)光二極管配套的光敏三極管。

  當(dāng)光電開關(guān)處于倒置狀態(tài)時(shí), 如圖2( b) 所示,小鋼球擋住透光孔, 隔斷光路, 光敏三極管輸出低電平; 當(dāng)光電開關(guān)處于正置狀態(tài)時(shí), 如圖2( a) 所示,小鋼球不會(huì)擋光, 紅外光路導(dǎo)通, 光電三極管的發(fā)射極輸出脈沖信號(hào), 此脈沖信號(hào)與驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的脈沖電壓信號(hào)頻率相同, 占空比相同。

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  3  CPLD 控制模塊設(shè)計(jì)

  復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD 是從PAL、GAL基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的高密度PLD 器件, 它規(guī)模較大,可以代替幾十甚至上百通用IC 接口芯片。CPLD用于系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中。不僅簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì), 而且可以節(jié)省電路開銷。

  CPLD 控制模塊主要由受光電耦合電路控制的脈沖電壓發(fā)生電路、延時(shí)上電控制信號(hào)發(fā)生電路、時(shí)鐘電路和電源管理電路組成。

  脈沖電壓發(fā)生電路和延時(shí)上電控制信號(hào)發(fā)生電路由CPLD 為主構(gòu)成, CPLD 選用的是萊迪斯公司的型號(hào)為ispMA CH 4032ZE, ispMACH 4032ZE是1. 8 V 供電的低功耗器件, 采用球柵陣列封裝。

  時(shí)鐘電路為CPLD 提供時(shí)鐘信號(hào), 采用EpsonToy ocom 公司型號(hào)為SG3030LC 的晶體振蕩器, 輸出頻率是32 768Hz。

  電源管理電路采用MAXIM 公司的型號(hào)為MAX6138 的集成電路芯片, 輸出1. 8 V 電壓, 給復(fù)雜可編程邏輯器件ispMACH 4032ZE 供電,MAX6138 集成電路芯片以及晶體振蕩器SG3030LC 的供電電源由與微型開關(guān)連接的存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)提供。時(shí)鐘電路及電源管理電路原理圖如圖3 示, CPLD 內(nèi)部邏輯電路原理圖如圖4 示。

時(shí)鐘電路及電源管理電路原理圖

CPLD內(nèi)部邏輯電路圖

  圖4 中CLK 是時(shí)鐘信號(hào), CLRIN 是復(fù)位信號(hào),U4~ U 8 均為硬件描述語(yǔ)言VHDL ( Very Highspeed Integr ated Circuit Hardw are DescriptionLanguage) 編寫的集成電路芯片。脈沖電壓發(fā)生電路由CPLD 的內(nèi)部邏輯電路的12 位二進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器U 4、7 位二進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器U5、D 觸發(fā)器U7和非門U9 構(gòu)成。脈沖電壓發(fā)生電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管的脈沖信號(hào)IR, 脈沖電壓的頻率是4Hz, 占空比為1:2 047, 將發(fā)光二極管的功耗減小到恒壓供電時(shí)的1/ 2 047。利用脈沖電壓驅(qū)動(dòng)方式能夠降低紅外發(fā)光二極管的平均電流, 容許較大的峰值電流流過(guò), 增加紅外發(fā)光二極管發(fā)射的紅外光的強(qiáng)度, 這就增加了該微型開關(guān)開/ 關(guān)狀態(tài)的穩(wěn)定性和可靠性并且降低功耗。

  紅外發(fā)光二極管的工作電流有正向工作電流和峰值電流兩項(xiàng), 其中正向工作電流是指采用直流恒定電流驅(qū)動(dòng)方式時(shí)的平均工作電流, 峰值電流是指采用直流脈沖電流驅(qū)動(dòng)方式時(shí)的峰值驅(qū)動(dòng)電流。

  紅外發(fā)光二極管的正向工作電流I FP 與峰值電流I P之間的關(guān)系是:

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  式中T 0 / T d 為脈沖電流的空度比??斩缺仍酱?, 允許的峰值電流越大。為了增加紅外線的控制距離, 紅外發(fā)光二極管應(yīng)工作于脈沖狀態(tài)。而脈動(dòng)光( 調(diào)制光) 的有效傳送距離與脈沖的峰值電流成正比, 因此只要盡量提高峰值電流I P, 就能增加紅外光的發(fā)射距離。提高I P 的方法, 是減小脈沖占空比, 即壓縮脈沖的寬度τ。但脈沖電流的空度比不能無(wú)限加大, 因?yàn)榭斩缺冗^(guò)大時(shí), 脈沖的寬度T d 太窄, 紅外發(fā)光二極管還沒(méi)來(lái)得及響應(yīng)脈沖電流就消失了, 不能保證控制的有效性。

  實(shí)驗(yàn)測(cè)得: 在供電電壓1. 8V 的條件下, 正向工作電流IFP ≈92 uA, 因?yàn)榭斩缺?img border="0" src="http://files.chinaaet.com/images/20110914/afa6d782-b75f-4281-8d92-9044d8c13c46.jpg" />計(jì)算紅外發(fā)光二極管工作于脈沖狀態(tài)時(shí)的峰值電流

  從計(jì)算結(jié)果可以看出, 脈沖峰值電流較大, 從而使得發(fā)射率提高很多, 這樣就增加了該微型開關(guān)開/ 關(guān)狀態(tài)的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí), 可以根據(jù)具體需要, 在保證可靠性的前提下, 設(shè)置較低點(diǎn)的峰值電流, 實(shí)現(xiàn)降低功耗的目的。

  延時(shí)上電控制信號(hào)發(fā)生電路由CPLD 的內(nèi)部邏輯電路的12 位二進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器U4、7 位二進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器U5~ U6、D 觸發(fā)器U 8 和與門U10構(gòu)成。延時(shí)上電控制信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生延時(shí)上電控制信號(hào)PON 給存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng), 利用延時(shí)上電控制信號(hào)的電平變化來(lái)控制測(cè)試系統(tǒng)從等待工作狀態(tài)進(jìn)入全工作狀態(tài)。

  4  倒置開關(guān)工作原理及時(shí)序仿真

  當(dāng)光電開關(guān)處于正置狀態(tài)時(shí), 小鋼球不會(huì)擋光, 紅外光路導(dǎo)通, 光電三極管的發(fā)射極輸出脈沖信號(hào), 此脈沖信號(hào)與驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的脈沖電壓信號(hào)頻率相同, 占空比相同, 內(nèi)部信號(hào)CLR 一直給7位二進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器U6 清零, U 6 的輸出Q 為低電平, 延時(shí)上電控制信號(hào)PON 為低電平。

  當(dāng)光電開關(guān)處于倒置狀態(tài)時(shí), 小鋼球擋住透光孔, 紅外光路被隔斷, 光敏三極管輸出低電平, 內(nèi)部信號(hào)CLR 為低電平, 清零作用無(wú)效, 延時(shí)上電控制信號(hào)發(fā)生電路開始計(jì)時(shí), 連續(xù)計(jì)時(shí)滿16 s 后延時(shí)上電控制信號(hào)PON 變?yōu)楦唠娖剑?該微型開關(guān)從“關(guān)”狀態(tài)進(jìn)入“開”狀態(tài), 利用延時(shí)上電控制信號(hào)的電平變化來(lái)控制測(cè)試系統(tǒng)從等待工作狀態(tài)進(jìn)入全工作狀態(tài)。若小鋼球隔斷光路不能持續(xù)16 s 以上, 延時(shí)上電控制信號(hào)發(fā)生電路自動(dòng)復(fù)位PON 輸出低電平, 該微型開關(guān)仍處于“關(guān)”狀態(tài)。

  圖5 是光路導(dǎo)通時(shí)電路可編程邏輯器件ispMA CH 4032ZE 的內(nèi)部邏輯電路圖的時(shí)序仿真圖, 圖6 和圖7 是圖5 中一個(gè)周期的局部放大圖, CLK 頻率是32 768 Hz, IR 信號(hào)周期是250 ms, 高電平時(shí)間是122us, 占空比1:2 047。圖8 是光路隔斷時(shí)的電路時(shí)序仿真圖, 光路隔斷后ID 為低電平, 16 s后信號(hào)PON 變?yōu)楦唠娖健?/font>

  5  結(jié)束語(yǔ)

  該微型倒置開關(guān)的殼體與開關(guān)各模塊之間填充有抗沖擊與振動(dòng)的緩沖材料, 提高了抗沖擊與抗振動(dòng)的能力。該微型倒置開關(guān)能夠在- 40  ~55℃ 的溫度范圍內(nèi)正常工作, 能滿足存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)耐高低溫的需求。

  本文所設(shè)計(jì)的微型脈沖供電式光電倒置開關(guān)是實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)微功耗的關(guān)鍵部件, 具有微體積、微功耗、耐高低溫、抗高沖擊、抗振動(dòng)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn), 該微型開關(guān)適用于各種存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng), 值得提倡、采用和推廣使用。

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