王錦錦，王偉，聶鑫，郭帆，石躍武，孫蓓云，朱志臻，楊靜

（強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室，西北核技術(shù)研究所，陜西西安，710024）

1 研究目的

電磁脈沖可以通過電纜、天線以及金屬屏蔽體上的縫隙和孔洞耦合進入電子系統(tǒng)，在電子器件的輸入和輸出端口上產(chǎn)生瞬態(tài)高電壓和大電流，使電路或器件功能暫時失效或使電子器件產(chǎn)生燒毀[1-4]。電磁脈沖效應(yīng)實驗是對被試系統(tǒng)的模擬實驗，主要目的是評價和確認(rèn)系統(tǒng)在EMP中的生存能力[5]。其在模擬器下開展，由模擬器產(chǎn)生輻射場環(huán)境，被試系統(tǒng)處于模擬器的工作區(qū)內(nèi)，實驗中通過光纖傳輸鏈路測量被試系統(tǒng)內(nèi)部的耦合場、感應(yīng)電流或電壓等效應(yīng)參數(shù)[6-9]，同時要監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部可能出現(xiàn)的功能異常、失效故障等效應(yīng)現(xiàn)象。

多路信號的同步觸發(fā)[10]是效應(yīng)實驗測量被試系統(tǒng)內(nèi)部耦合數(shù)據(jù)的重要 環(huán)節(jié)。通常使用示波器的外部觸發(fā)模式，將幾臺示波器的輔助輸入信號作為觸發(fā)源，同時連接到相同的輸入信號，控制多臺示波器完成多路信號的同步觸發(fā)。傳統(tǒng)解決方法采用功分器或示波器的輔助輸出通道觸發(fā)信號，控制多臺示波器的同步觸發(fā)。該種方法適合應(yīng)用于需要測量的信號數(shù)量較少時，功分后信號可以滿足信號的觸發(fā)。但當(dāng)示波器數(shù)量增加時，功分器產(chǎn)生的多路信號幅度和精度不能滿足示波器的觸發(fā)要求。還有一種方法是示波器的級聯(lián)觸發(fā)方法，使用泰克（Tektronix）示波器自帶的級聯(lián)觸發(fā)方式。將示波器的觸發(fā)輸出信號作為下一路示波器的觸發(fā)輸入信號。但這種級聯(lián)觸發(fā)方法可靠性較低，一旦中間一個示波器的觸發(fā)出現(xiàn)問題，后面的示波器將無法觸發(fā)。隨著電磁脈沖效應(yīng)實驗測量規(guī)模的不斷增大，需要研制一種支持多臺示波器同步觸發(fā)的高精度高可靠同步觸發(fā)系統(tǒng)，用于解決電磁脈沖效應(yīng)實驗的同步觸發(fā)問題，保證效應(yīng)實驗測量工作的順利進行。該觸發(fā)系統(tǒng)由觸發(fā)信號測量系統(tǒng)、脈沖源信號發(fā)生[11-15]和一種觸發(fā)方法組成。觸發(fā)信號測量系統(tǒng)由探頭、固定裝置、支架、底座組成，用于采集不同位置和高度的觸發(fā)信號。采集到的觸發(fā)信號通過功分和脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生多路信號，用于多臺示波器的同步觸發(fā)。在本次方法中，以16臺示波器的同步觸發(fā)為例，使用2臺脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生16路觸發(fā)信號，完成了16臺泰克示波器的同步觸發(fā)。該方法還可以使用不同的脈沖信號發(fā)生器完成更多臺示波器的同步觸發(fā)，解決了多路電磁脈沖信號同步觸發(fā)的工程問題。

2 電磁脈沖效應(yīng)實驗同步觸發(fā)系統(tǒng)與方法

電磁脈沖效應(yīng)實驗同步觸發(fā)系統(tǒng)包括效應(yīng)實驗觸發(fā)信號測量系統(tǒng)和電磁脈沖同步觸發(fā)方法。電磁脈沖效應(yīng)實驗在模擬器[16-18]下開展，通過布放測點來獲取測量數(shù)據(jù)，示意圖如圖1所示。結(jié)合模擬器的場分布測量，在模擬器下計算選取電磁脈沖效應(yīng)實驗觸發(fā)信號測量系統(tǒng)的測點布放位置，布放電磁脈沖效應(yīng)實驗電場參數(shù)測量系統(tǒng)，獲取觸發(fā)信號。觸發(fā)信號通過場地光纖傳輸系統(tǒng)傳輸至光接收機，光接收機經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后觸發(fā)信號傳輸至同步觸發(fā)裝置，光接收機經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后將觸發(fā)信號傳輸至功分器，功分器將信號功分為兩路后，傳輸至兩臺脈沖信號發(fā)生器，兩臺脈沖信號發(fā)生器可以同步輸出16路同步觸發(fā)信號，控制1到16臺示波器的同步觸發(fā)。

圖1 電磁脈沖效應(yīng)實驗同步觸發(fā)系統(tǒng)示意圖

2.1 效應(yīng)實驗觸發(fā)信號測量系統(tǒng)

同步觸發(fā)系統(tǒng)中的效應(yīng)實驗觸發(fā)信號測量系統(tǒng)主要測量同步觸發(fā)輸入信號。觸發(fā)信號的成功獲取是多臺示波器同步觸發(fā)的政要保證。觸發(fā)信號測量系統(tǒng)主要由探頭、固定裝置、支架、底座組成，如圖2所示。首先選取合適高度的支架3，將3與底座4進行組裝。再選取探頭固定裝置2固定電場探頭1，將固定好的探頭1的由固定裝置2安裝到支架3上，安裝高度和整個測量的系統(tǒng)的位置根據(jù)測量位置靈活選取。最后探頭1的輸出信號由光纖傳輸系統(tǒng)5傳輸至接收端。

圖2 觸發(fā)信號測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為保證數(shù)據(jù)采集的可靠性，測量系統(tǒng)的布放位置通常在模擬裝置產(chǎn)生的電磁脈沖環(huán)境中計算選取。該觸發(fā)信號測量系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)，方便移動，可以應(yīng)用于不同模擬裝置下，且觸發(fā)探頭的高度可以調(diào)節(jié)，測量范圍較大。底座和木桿的設(shè)計結(jié)構(gòu)，使得底部增加了配重，不易應(yīng)外力而發(fā)生傾斜或者跌倒，在戶外模擬器下實用性較強。

2.2 電磁脈沖同步觸發(fā)方法

2.2.1 同步觸發(fā)架構(gòu)

傳統(tǒng)的觸發(fā)方式有功分觸發(fā)和級聯(lián)串聯(lián)同步觸發(fā)等。在功分觸發(fā)方法中，使用功分將1路觸發(fā)信號分為2路信號。將兩臺示波器的輔助輸入信號作為觸發(fā)源，分別連接功分后的2路輸入信號，示波器的另外四個通道分別連接待測信號，將兩臺示波器變?yōu)椤?通道”示波器。但是這種觸發(fā)技術(shù)只能完成少數(shù)幾臺示波器的同步觸發(fā)，當(dāng)功分路數(shù)增多時，功分后的觸發(fā)信號不能滿足示波器的觸發(fā)要求，僅適用于規(guī)模較小的實驗。

在級聯(lián)串聯(lián)同步觸發(fā)中，使用同步觸發(fā)裝置脈沖信號發(fā)生器，完成多路信號的同步觸發(fā)。首先將效應(yīng)實驗觸發(fā)信號測量系統(tǒng)測得的信號接入功分器產(chǎn)生兩路觸發(fā)信號。再將這兩路信號分別接入脈沖信號發(fā)生器的外部觸發(fā)信號，如圖3所示。將1#示波器的輔助輸入信號作為觸發(fā)源，連接到觸發(fā)輸入信號，1#示波器的輔助輸出信號作為2#示波器的觸發(fā)輸入信號，示波器的另外四個通道分別連接待測信號，將兩臺示波器變?yōu)椤?通道”示波器，將兩臺脈沖信號發(fā)生器連接到相同的輸入信號，采用單次觸發(fā)模式，當(dāng)輸入信號滿足觸發(fā)信號的要求時，有16路觸發(fā)信號同步輸出，最大控制16臺示波器的同步觸發(fā)。這種方法可以實現(xiàn)對多臺示波器的同步觸發(fā)控制，并且具有高精度和高可靠性，因此在較大規(guī)模的電磁脈沖效應(yīng)實驗中采用該種同步觸發(fā)架構(gòu)。

圖3 同步觸發(fā)方法

2.2.2 脈沖信號發(fā)生器

在該種同步觸發(fā)方法中，同步觸發(fā)裝置的穩(wěn)定性、延遲與精度對系統(tǒng)的同步觸發(fā)的影響較大。通過調(diào)研與分析，同步觸發(fā)系統(tǒng)中使用的同步觸發(fā)裝置為脈沖信號發(fā)生器Quantum composers9528。脈沖信號發(fā)生器Quantum composers 9528是多通道信號發(fā)生器，最大可以產(chǎn)生8路控制信號，如圖4所示。其輸出方式有手動控制、外部信號輸入控制等多種模式。在電磁脈沖效應(yīng)實驗中，需要用到外部信號控制脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生同步觸發(fā)信號，Quantum composers 9528滿足該需求，且觸發(fā)電平、脈寬等技術(shù)指標(biāo)均滿足電磁脈沖效應(yīng)實驗的需求。同步觸發(fā)系統(tǒng)中的效應(yīng)實驗觸發(fā)信號測量系統(tǒng)將采集到的同步觸發(fā)信號輸入同步觸發(fā)裝置。設(shè)置同步觸發(fā)為單次觸發(fā)模式，設(shè)置觸發(fā)電平，上邊沿觸發(fā)。使用示波器的外觸發(fā)方式，將觸發(fā)輸出信號作為示波器的外部觸發(fā)輸入信號，分別接入多臺示波器的外部觸發(fā)通道，同步觸發(fā)多臺示波器。被測信號分別接入示波器的4個通道，多臺示波器的同步觸發(fā)保證了多路信號的有效采集。

圖4 脈沖信號發(fā)生器

3 實驗結(jié)果與分析

為了驗證該觸發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進行了上百次觸發(fā)實驗驗證。實驗結(jié)果表明，效應(yīng)實驗觸發(fā)信號測量系統(tǒng)的成功采集率為100%，滿足了效應(yīng)實驗同步觸發(fā)輸入信號的高可靠性和穩(wěn)定性的要求。在采集到同步觸發(fā)信號后，脈沖信號發(fā)生器的觸發(fā)率也為100%。該系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠的完成多臺示波器的同步觸發(fā)，保證了實驗數(shù)據(jù)的有效采集，提高了實驗效率。

4 結(jié)論

一種電磁脈沖效應(yīng)實驗參數(shù)測量高精度同步觸發(fā)系統(tǒng)用于解決電磁脈沖效應(yīng)實驗參數(shù)測量中多臺示波器的同步觸發(fā)問題。該系統(tǒng)包括一種電磁脈沖效應(yīng)實驗觸發(fā)信號測量系統(tǒng)和一種觸發(fā)方法，最大可以控制16臺示波器的同步觸發(fā)，但不限于16臺示波器的同步觸發(fā)。該系統(tǒng)通過效應(yīng)實驗觸發(fā)信號測量系統(tǒng)進行觸發(fā)信號的采集，當(dāng)觸發(fā)信號采集完成后，將觸發(fā)信號功分后作為脈沖信號發(fā)生器的輸入信號，完成多臺示波器的同步采集。觸發(fā)信號測量點的選擇和整個系統(tǒng)延遲為是否可以正常觸發(fā)的關(guān)鍵。通過上百發(fā)次的實驗驗證，該同步觸發(fā)系統(tǒng)具有高可靠性和高穩(wěn)定性，觸發(fā)成功率為100%，可以完成較大規(guī)模電磁脈沖效應(yīng)實驗的同步觸發(fā)需求，解決了電磁脈沖測量領(lǐng)域同步觸發(fā)的工程問題。