混合集成特定頻率信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

混合集成特定頻率信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

混合集成特定頻率信號(hào)發(fā)生器主要應(yīng)用于某軍用引信安全控制系統(tǒng)。它在該引信設(shè)計(jì)中起著中樞神經(jīng)的作用,主要用于實(shí)現(xiàn)全電子安全系統(tǒng)狀態(tài)的控制,即按預(yù)定條件(如時(shí)間、氣壓、指令等)控制引信在一定邏輯程序作用下,正確實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)設(shè)置、保險(xiǎn)解除、環(huán)境信息綜合判斷、特定頻率信號(hào)產(chǎn)生等控制功能。該系統(tǒng)可根據(jù)魚(yú)雷的特點(diǎn)和使用要求來(lái)控制三級(jí)保險(xiǎn)的設(shè)置。依靠敏感的系統(tǒng)發(fā)射或運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不同的獨(dú)立航道環(huán)境或指令來(lái)解除保險(xiǎn),以確保系統(tǒng)使用過(guò)程中的安全,同時(shí)選用簡(jiǎn)單、成熟的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)來(lái)提高可靠性。

??? 混合集成特定頻率信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)主要是采用可編程邏輯器件進(jìn)行邏輯編程,以實(shí)現(xiàn)高性能系統(tǒng)所需求的復(fù)雜邏輯功能。該方法可大大減小元器件數(shù)量,增加系統(tǒng)可靠性,而且工作狀態(tài)穩(wěn)定,反應(yīng)速度快,設(shè)計(jì)周期短,系統(tǒng)成本低。其工藝采用先進(jìn)的厚膜混合集成技術(shù),產(chǎn)品重量輕,體積小,可靠性高,一致性好。

??? 1 電路設(shè)計(jì)原理框圖

??? 該電路的基本原理框圖如圖1所示。它主要由晶體振蕩器為兩個(gè)可編程邏輯器件(isp1016E)提供4.096MHz的頻率信號(hào),并經(jīng)分頻產(chǎn)生1 kHz信號(hào),然后將其作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘觸發(fā)。三級(jí)開(kāi)關(guān)信號(hào)(即系統(tǒng)中的解保信號(hào))依次加到四光電耦合器上,其中第一級(jí)開(kāi)關(guān)信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)可編程邏輯器件isp1016E-1,其輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換后,可將原來(lái)輸出端的高電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為低電平信號(hào),以解除系統(tǒng)第一級(jí)保險(xiǎn)。

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??? 第二級(jí)開(kāi)關(guān)信號(hào)經(jīng)光耦隔離后用于驅(qū)動(dòng)另一個(gè)可編程邏輯器件isp1016E-2,該信號(hào)經(jīng)判斷確認(rèn)時(shí)序正確時(shí),isp1016E-2的輸出信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器可產(chǎn)生低電平信號(hào),以解除系統(tǒng)第二級(jí)保險(xiǎn)。

??? 當(dāng)?shù)谌?jí)開(kāi)關(guān)信號(hào)到來(lái)并確認(rèn)當(dāng)前的三級(jí)開(kāi)關(guān)信號(hào)時(shí)序關(guān)系正常后,系統(tǒng)便通過(guò)isp1016E-2產(chǎn)生特定頻率和占空比的5 V TTL信號(hào),以解除第三級(jí)保險(xiǎn),從而使系統(tǒng)進(jìn)行高壓充電,此時(shí)引信處于待爆狀態(tài)。

??? 當(dāng)三級(jí)開(kāi)關(guān)信號(hào)時(shí)序不正常時(shí)。第四路開(kāi)關(guān)信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離可為兩只isp1016E提供復(fù)位信號(hào),以使特定頻率信號(hào)輸出端無(wú)輸出,從而使引信絕火。

??? 2 方案設(shè)計(jì)

??? 傳統(tǒng)數(shù)字電路中多由TTL和CMOS器件構(gòu)成邏輯電路,這樣的系統(tǒng)大多存在邏輯器件數(shù)目多,電路復(fù)雜,板塊龐大等缺點(diǎn)。而可編程邏輯器件內(nèi)部有大量的門電路(2000門)和觸發(fā)器,通過(guò)編程可以連接成各種中小規(guī)模的數(shù)字電路。這樣。寄存器、計(jì)數(shù)器、多路選擇、譯碼器等電路都很容易通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)。另外,也可以利用可編程邏輯器件配套軟件中具備的宏單元庫(kù),來(lái)編程完成高性能系統(tǒng)所要求的復(fù)雜邏輯功能。

??? 由于混合集成特定頻率信號(hào)發(fā)生器的邏輯關(guān)系比較復(fù)雜,為此,本設(shè)計(jì)選用可編程邏輯器件isp1016E來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯功能。以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)難度。這樣,只要在計(jì)算機(jī)上輸入數(shù)字電路原理圖或用硬件描述語(yǔ)言描述數(shù)字電路,然后經(jīng)過(guò)編譯,并將編譯后的數(shù)據(jù)文件下載到可編程邏輯器件上即可完成數(shù)字電路的設(shè)計(jì),而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,器件少,成本低,設(shè)計(jì)方便,不容易損壞,同時(shí)可大大增加系統(tǒng)的可靠性、減少系統(tǒng)體積。

??? 3 軟件設(shè)計(jì)

??? 混合集成特定頻率信號(hào)發(fā)生器軟件由isp1016E-1芯片軟件和isp1016E-2芯片軟件組成。用于實(shí)現(xiàn)有效環(huán)境信號(hào)的識(shí)別、時(shí)序判斷、兩級(jí)保險(xiǎn)的解除、特定頻率信號(hào)的產(chǎn)生等功能。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先定義可編程邏輯器件isp1016E的I／O端口,然后采用Viewlogic軟件對(duì)系統(tǒng)可編程邏輯器件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)編譯完成后,便可將數(shù)據(jù)文件下載到可編程器件中。IspLSI器件可在線路板上編程;也可在專用編程器上編程。

??? 3.1 isp1016E-1芯片設(shè)計(jì)

??? isp 1016E-1芯片主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)有效環(huán)境信號(hào)識(shí)別、第一級(jí)保險(xiǎn)的解除等功能。其設(shè)計(jì)思想首先是將外接晶振頻率分頻至1 kHz,以將其作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘觸發(fā),每毫秒采樣一次第一級(jí)開(kāi)關(guān)信號(hào)(即解保信號(hào))來(lái)對(duì)有效信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)至第N次時(shí),截止計(jì)數(shù)過(guò)程并發(fā)驅(qū)動(dòng)信號(hào),接著輸出低電平以驅(qū)動(dòng)后序第一級(jí)保險(xiǎn)動(dòng)作,同時(shí)將信號(hào)傳至isp 1016E-2。

??? 3.2 isp1016E-2芯片設(shè)計(jì)

??? isp 1016E-2芯片用于完成第二、第三級(jí)保險(xiǎn)解除控制邏輯、時(shí)序判斷、特定頻率信號(hào)的產(chǎn)生等功能。可采用同樣的分頻與累計(jì)計(jì)數(shù)方法,來(lái)對(duì)二、三級(jí)解保信號(hào)進(jìn)行抗干擾濾波處理。若接收到第二級(jí)解保信號(hào)且判斷一、二級(jí)解保信號(hào)時(shí)序正確,則發(fā)驅(qū)動(dòng)信號(hào)并變?yōu)榈碗娖?同時(shí)驅(qū)動(dòng)第二級(jí)保險(xiǎn)動(dòng)作;若判斷時(shí)序不對(duì),則封閉第二級(jí)解保信號(hào)接收通路(不再接收);在接收到控制系統(tǒng)給出的第三級(jí)解保信號(hào)并確認(rèn)這三級(jí)解保信號(hào)的時(shí)序關(guān)系正常后,系統(tǒng)將輸出特定頻率和占空比的5 V特定頻率信號(hào)。

??? 4 系統(tǒng)可靠性及版圖設(shè)計(jì)

??? 為了使電路能更安全可靠的工作,各路的開(kāi)關(guān)信號(hào)都先經(jīng)過(guò)光耦再輸入電路。輸人地與輸出地嚴(yán)格分開(kāi)可保證電路電子元器件的安全;為了減小外界對(duì)電源的干擾,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在供電電源與地之間、芯片的工作電源上都接入濾波電容以進(jìn)行濾波處理,從而保證電路正常工作。

??? 電路程序設(shè)計(jì)包含了對(duì)各種環(huán)境信息的綜合判斷,如抗干擾、抗抖動(dòng)處理、時(shí)序判斷等功能。采用“時(shí)間窗、時(shí)序判斷”等技術(shù)措施進(jìn)行綜合控制設(shè)計(jì)可濾除ms級(jí)的干擾信號(hào),從而保證系統(tǒng)安全可靠地工作。

??? 此外,該電路還具有單檢與重新解保功能。程控采用雙套備份、冗余設(shè)計(jì)。需要單套檢驗(yàn)與聯(lián)試時(shí),可以給一套程控的isp芯片一直加上復(fù)位信號(hào),這樣可檢驗(yàn)另一套引信的功能;在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,如在三級(jí)解保后發(fā)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤有誤,可以接收復(fù)位信號(hào),并通過(guò)程控重新進(jìn)行解保動(dòng)作。

??? 在版圖設(shè)計(jì)時(shí),器件的放置和分布既要考慮電路合理布局,散熱均勻,也應(yīng)考慮工藝加工過(guò)程中的組裝生產(chǎn)。具體可將元件按照功能相對(duì)集中放置;輸入、輸出線分開(kāi)放置,并按工作順序排列;布線時(shí),電源線和地線均應(yīng)短而粗,要盡量減少相互之間的電磁干擾。

??? 該電路共采用兩片邏輯器件來(lái)完成邏輯功能。每一片芯片有44只管腳(PLCC封裝)。兩片芯片之間、芯片與外圍電路之間都會(huì)相互提供信號(hào),連線縱橫交錯(cuò),交叉往來(lái)連線復(fù)雜,且電路體積要求也比較嚴(yán)格,這都會(huì)在版圖設(shè)計(jì)過(guò)程中增加布版的難度。因此,在設(shè)計(jì)時(shí),兩只芯片的放置位置與方向要用畫(huà)圖軟件反復(fù)比較和驗(yàn)證,以盡量減少相互之間走線的交錯(cuò)和復(fù)雜度;布線時(shí)最好將縱線在同一層面,橫線在另一層面,并用介質(zhì)絕緣。在線路走線上,連線應(yīng)盡可能短,并使布線盡可能優(yōu)化。

??? 5 工藝制作及加工

??? 本產(chǎn)品的工藝加工沒(méi)有選用PCB板表面貼裝技術(shù),主要是因?yàn)镻CB板組裝時(shí)過(guò)多的焊接連線、焊點(diǎn)、接插件等嚴(yán)重阻礙了生產(chǎn)率和可靠性的進(jìn)一步提高;另外,電路的工作頻率和速度的提高也要求盡量縮短信號(hào)在系統(tǒng)內(nèi)的傳輸延遲。為此,電路專門選用了厚膜混合集成工藝,即用厚膜多層布線工藝來(lái)制作導(dǎo)電帶和電阻器;晶體管、單片集成電路等則采用裸芯片組裝金絲球焊鍵合,封口采用平行縫焊技術(shù)充氮?dú)饷芊?。厚膜工藝可減少電路體積,提高精度、穩(wěn)定性和產(chǎn)品可靠性,且利于批量生產(chǎn)。

??? 在厚膜工藝中,電容器應(yīng)采用粘接工藝;光藕、MOS管等器件應(yīng)采用載流焊工藝。PLCC封裝的可編程邏輯器件加工相對(duì)比較少。在初期載流焊組裝邏輯器件過(guò)程中,由于邏輯器件管腳較多且細(xì)短(焊區(qū)面積僅1.8mm×0.4mm,相鄰管腳的間距約0.3mm),故在點(diǎn)焊料時(shí),因焊料流量不容易控制,焊料極易將相鄰管腳粘連在一起而造成短路現(xiàn)象。加工時(shí)經(jīng)常要擦除短路處的焊料并重新點(diǎn)膠反復(fù)操作,這都會(huì)極大地影響效率。經(jīng)過(guò)摸索實(shí)驗(yàn)。筆者專門配置了直徑較小的點(diǎn)焊劑的針孔來(lái)減小流量和焊接面積,圖2給出了該產(chǎn)品的主要工藝流程圖。

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??? 6 結(jié)束語(yǔ)

??? 混合集成特定頻率信號(hào)發(fā)生器是某軍事系統(tǒng)中常用的組件之一。本文通過(guò)在軟件、制版、工藝等方面的一系列設(shè)計(jì),最終實(shí)現(xiàn)了該器件邏輯功能的集成化、小型化。經(jīng)多次聯(lián)機(jī)測(cè)試證明,該器件性能穩(wěn)定、工作正常、其電性能指標(biāo)完全滿足系統(tǒng)和用戶的要求。目前,用戶已連續(xù)小批量訂貨。此外,該產(chǎn)品還可以根據(jù)系統(tǒng)需要修改程序軟件,以輸出不同頻率、不同占空比的信號(hào)。由此可見(jiàn),該產(chǎn)品具有易于擴(kuò)展和設(shè)計(jì)升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。而且電路體積小、精度高、重量輕,使用靈活,具有重要的使用價(jià)值和良好的應(yīng)用前景。