混合集成特定頻率信號發生器主要應用于某軍用引信安全控制系統。它在該引信設計中起著中樞神經的作用,主要用于實現全電子安全系統狀態的控制,即按預定條件(如時間、氣壓、指令等)控制引信在一定邏輯程序作用下,正確實現保險設置、保險解除、環境信息綜合判斷、特定頻率信號產生等控制功能。該系統可根據魚雷的特點和使用要求來控制三級保險的設置。依靠敏感的系統發射或運動過程中不同的獨立航道環境或指令來解除保險,以確保系統使用過程中的安全,同時選用簡單、成熟的保險機構來提高可靠性。
混合集成特定頻率信號發生器的設計主要是采用可編程邏輯器件進行邏輯編程,以實現高性能系統所需求的復雜邏輯功能。該方法可大大減小元器件數量,增加系統可靠性,而且工作狀態穩定,反應速度快,設計周期短,系統成本低。其工藝采用先進的厚膜混合集成技術,產品重量輕,體積小,可靠性高,一致性好。
1 電路設計原理框圖
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可編程邏輯器件(isp1016E)提供4.096MHz的頻率信號,并經分頻產生1 kHz信號,然后將其作為計數器的時鐘觸發。三級開關信號(即系統中的解保信號)依次加到四光電耦合器上,其中第一級開關信號用于驅動可編程邏輯器件isp1016E-1,其輸出信號經過驅動器轉換后,可將原來輸出端的高電平信號轉換為低電平信號,以解除系統第一級保險。
第二級開關信號經光耦隔離后用于驅動另一個可編程邏輯器件isp1016E-2,該信號經判斷確認時序正確時,isp1016E-2的輸出信號經驅動器可產生低電平信號,以解除系統第二級保險。
當第三級開關信號到來并確認當前的三級開關信號時序關系正常后,系統便通過isp1016E-2產生特定頻率和占空比的5 V TTL信號,以解除第三級保險,從而使系統進行高壓充電,此時引信處于待爆狀態。
當三級開關信號時序不正常時。第四路開關信號經過光耦隔離可為兩只isp1016E提供復位信號,以使特定頻率信號輸出端無輸出,從而使引信絕火。
2 方案設計
傳統數字電路中多由TTL和CMOS器件構成邏輯電路,這樣的系統大多存在邏輯器件數目多,電路復雜,板塊龐大等缺點。而可編程邏輯器件內部有大量的門電路(2000門)和觸發器,通過編程可以連接成各種中小規模的數字電路。這樣。寄存器、計數器、多路選擇、譯碼器等電路都很容易通過編程實現。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,來編程完成高性能系統所要求的復雜邏輯功能。
由于混合集成特定頻率信號發生器的邏輯關系比較復雜,為此,本設計選用可編程邏輯器件isp1016E來實現邏輯功能。以簡化設計難度。這樣,只要在計算機上輸入數字電路原理圖或用硬件描述語言描述數字電路,然后經過編譯,并將編譯后的數據文件下載到可編程邏輯器件上即可完成數字電路的設計,而且電路結構簡單,器件少,成本低,設計方便,不容易損壞,同時可大大增加系統的可靠性、減少系統體積。
3 軟件設計
混合集成特定頻率信號發生器軟件由isp1016E-1芯片軟件和isp1016E-2芯片軟件組成。用于實現有效環境信號的識別、時序判斷、兩級保險的解除、特定頻率信號的產生等功能。設計時應首先定義可編程邏輯器件isp1016E的I／O端口,然后采用Viewlogic軟件對系統可編程邏輯器件進行仿真設計。設計編譯完成后,便可將數據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芯片設計
isp 1016E-1芯片主要用來實現有效環境信號識別、第一級保險的解除等功能。其設計思想首先是將外接晶振頻率分頻至1 kHz,以將其作為計數器的時鐘觸發,每毫秒采樣一次第一級開關信號(即解保信號)來對有效信號進行計數,當計數至第N次時,截止計數過程并發驅動信號,接著輸出低電平以驅動后序第一級保險動作,同時將信號傳至isp 1016E-2。
3.2 isp1016E-2芯片設計
isp 1016E-2芯片用于完成第二、第三級保險解除控制邏輯、時序判斷、特定頻率信號的產生等功能。可采用同樣的分頻與累計計數方法,來對二、三級解保信號進行抗干擾濾波處理。若接收到第二級解保信號且判斷一、二級解保信號時序正確,則發驅動信號并變為低電平,同時驅動第二級保險動作;若判斷時序不對,則封閉第二級解保信號接收通路(不再接收);在接收到控制系統給出的第三級解保信號并確認這三級解保信號的時序關系正常后,系統將輸出特定頻率和占空比的5 V特定頻率信號。
4 系統可靠性及版圖設計
為了使電路能更安全可靠的工作,各路的開關信號都先經過光耦再輸入電路。輸人地與輸出地嚴格分開可保證電路電子元器件的安全;為了減小外界對電源的干擾,設計時應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行濾波處理,從而保證電路正常工作。
電路程序設計包含了對各種環境信息的綜合判斷,如抗干擾、抗抖動處理、時序判斷等功能。采用“時間窗、時序判斷”等技術措施進行綜合控制設計可濾除ms級的干擾信號,從而保證系統安全可靠地工作。
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、冗余設計。需要單套檢驗與聯試時,可以給一套程控的isp芯片一直加上復位信號,這樣可檢驗另一套引信的功能;在系統運行過程中,如在三級解保后發現目標跟蹤有誤,可以接收復位信號,并通過程控重新進行解保動作。
在版圖設計時,器件的放置和分布既要考慮電路合理布局,散熱均勻,也應考慮工藝加工過程中的組裝生產。具體可將元件按照功能相對集中放置;輸入、輸出線分開放置,并按工作順序排列;布線時,電源線和地線均應短而粗,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相互提供信號,連線縱橫交錯,交叉往來連線復雜,且電路體積要求也比較嚴格,這都會在版圖設計過程中增加布版的難度。因此,在設計時,兩只芯片的放置位置與方向要用畫圖軟件反復比較和驗證,以盡量減少相互之間走線的交錯和復雜度;布線時最好將縱線在同一層面,橫線在另一層面,并用介質絕緣。在線路走線上,連線應盡可能短,并使布線盡可能優化。
5 工藝制作及加工
本產品的工藝加工沒有選用PCB板表面貼裝技術,主要是因為PCB板組裝時過多的焊接連線、焊點、接插件等嚴重阻礙了生產率和可靠性的進一步提高;另外,電路的工作頻率和速度的提高也要求盡量縮短信號在系統內的傳輸延遲。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制作導電帶和電阻器;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充氮氣密封。厚膜工藝可減少電路體積,提高精度、穩定性和產品可靠性,且利于批量生產。
在厚膜工藝中,電容器應采用粘接工藝;光藕、MOS管等器件應采用載流焊工藝。PLCC封裝的可編程邏輯器件加工相對比較少。在初期載流焊組裝邏輯器件過程中,由于邏輯器件管腳較多且細短(焊區面積僅1.8mm×0.4mm,相鄰管腳的間距約0.3mm),故在點焊料時,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象。加工時經常要擦除短路處的焊料并重新點膠反復操作,這都會極大地影響效率。經過摸索實驗。筆者專門配置了直徑較小的點焊劑的針孔來減小流量和焊接面積,圖2給出了該產品的主要工藝流程圖。
6 結束語
混合集成特定頻率信號發生器是某軍事系統中常用的組件之一。本文通過在軟件、制版、工藝等方面的一系列設計,最終實現了該器件邏輯功能的集成化、小型化。經多次聯機測試證明,該器件性能穩定、工作正常、其電性能指標完全滿足系統和用戶的要求。目前,用戶已連續小批量訂貨。此外,該產品還可以根據系統需要修改程序軟件,以輸出不同頻率、不同占空比的信號。由此可見,該產品具有易于擴展和設計升級等優點。而且電路體積小、精度高、重量輕,使用靈活,具有重要的使用價值和良好的應用前景。