CN113325217B

CN113325217B - 一种基于单运算放大器的微秒级火工品点火电流检测电路

Info

Publication number: CN113325217B
Application number: CN202110444301.3A
Authority: CN
Inventors: 孙奎; 党建成; 周军; 韩鸣迪; 姜婷婷
Original assignee: Shanghai Institute of Satellite Engineering
Current assignee: Shanghai Institute of Satellite Engineering
Priority date: 2021-04-23
Filing date: 2021-04-23
Publication date: 2022-08-12
Anticipated expiration: 2041-04-23
Also published as: CN113325217A

Abstract

本发明提供了一种基于单运算放大器的微秒级火工品点火电流检测电路，包括三者相互连接的瞬态电流采样触发电路、保持时间控制电路和信号保持释放电路；所述瞬态电流采样触发电路的输出端分别与保持时间控制电路和信号保持释放电路的输入端相连接，所述保持时间控制电路的输出端与信号保持释放电路相连接；所述瞬态电流采样触发电路包括电流传感器和触发电路；所述保持时间控制电路包括RC延时电路和滞回比较电路；所述信号保持释放电路包括RC电路、开关电路和运算放大电路。本发明电流跟踪灵敏、检测准确、芯片少、可靠性高，适用于航天器火工品起爆装置的电流检测。

Description

一种基于单运算放大器的微秒级火工品点火电流检测电路

技术领域

本发明涉及电流检测电路的技术领域，具体地，涉及一种基于单运算放大器的微秒级火工品点火电流检测电路。

背景技术

航天领域，需要使用大量的起爆装置完成航天器的重要功能解锁，其中主要是火工品解锁方式，火工品点火过程的可靠性多航天器任务可靠性具有重要意义。航天器对于火工品起爆过程遥测以状态遥测为主，不能有效反应火工品起爆电流大小。根据蓄电池电压、回路阻抗、火工品特性等的差异性，火工品起爆产生电流时间从200us到10ms不等的微秒级到毫秒级，而航天器遥测采集周期为秒级，因此航天器无法对火工品点火过程的瞬时电流信号进行直接采集。

在申请号为CN201420522235.2的中国专利中采用运算放大器、继电器及RS触发器实现火工品电流检查与展宽；申请号为CN201710993287.6的中国专利中采用运算放大器、继电器及RS触发器实现火工品起爆电流检测。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于单运算放大器的微秒级火工品点火电流检测电路。

根据本发明提供的一种基于单运算放大器的微秒级火工品点火电流检测电路，包括三者相互连接的瞬态电流采样触发电路、保持时间控制电路和信号保持释放电路；

所述瞬态电流采样触发电路的输出端分别与保持时间控制电路和信号保持释放电路的输入端相连接，所述保持时间控制电路的输出端与信号保持释放电路相连接；

所述瞬态电流采样触发电路包括电流传感器和触发电路，所述瞬态电流采样触发电路将瞬时电流线号转化为瞬时电压信号，且所述瞬态电流采样触发电路触发保持时间控制电路；

所述保持时间控制电路包括RC延时电路和滞回比较电路，所述保持时间控制电路捕捉火工品点火电流并产生展宽控制信号；

所述信号保持释放电路包括RC电路、开关电路和运算放大电路，所述信号保持释放电路进行信号电荷保持与释放。

优选地，所述瞬态电流采样触发电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电流传感器U2和第一运放U1的第一路U1A；

所述第一电阻R1的一端接地，另一端分别与第一电流传感器U2的输出端和第一运放U1的第一路U1A的的正相输入端电连接，所述第一电流传感器U2的正极端与电源VCC相连接，所述第一电流传感器U2的负极端接地；所述第二电阻R2的一端与电源VCC相连接，另一端分别与第三电阻R3的一端和第一运放U1的第一路U1A的反相输入端相连接，所述第三电阻R3的另一端接地；所述第四电阻R4的一端接地，另一端与第一运放U1的第一路U1A的输出端相连接。

优选地，所述保持时间控制电路包括第一二极管D1、第一电容C1、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10和第二运放U1的第二路U1B；

所述第一二极管D1的正极分别与第一运放U1的第一路U1A的输出端和第四电阻R4相连接，所述第一二极管D1的负极分别与第五电阻R5和第二运放U1的第二路U1B的反相输入端相连接，所述第五电阻R5的另一端分别与第一电容C1的正极和第六电阻R6相连接，所述第一电容C1的负极和第六电阻的另一端相连接且接地，所述第二运放U1的第二路U1B的正相输入端分别与第七电阻R7、第八电阻R8和第九电阻R9相连接，所述第七电阻R7的另一端与电源VCC相连接，所述第八电阻R8的另一端接地，所述第九电阻的另一端分别与第二运放U1的第二路U1B的输出端和第十电阻R10相连接。

优选地，所述信号保持释放电路包括包括第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第二电容C2、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第三运放U1的第三路U1C、第四运放U1的第四路U1D和第一三极管Q1；

所述第二二极管D2的正极分别与第十一电阻R11和第三运放U1的第三路U1C的反相输入端相连接，所述第二二极管D2的负极分别与第三二极管D3和第十二电阻R12相连接；所述第三二极管D3的负极分别与第二电容C2的正极、第十三电阻R13和第四运放U1的第四路U1D的正相输入端相连接；所述第四二极管D4的正极分别与第十四电阻R14和第一三极管Q1的基极相连接，所述第四二极管D4的负极与第十电阻R10的另一端相连接。

优选地，所述所述第二电容C2的负极接地；所述第十一电阻R11的另一端分别与第四运放U1的第四路U1D的反相输入端和输出端相连接；所述第十二电阻R12的另一端与第三运放U1的第三路U1C的输出端相连接；所述第十三电阻R13的另一端与第一三极管Q1的集电极相连接；所述第十四电阻R14的另一端与第一三极管Q1的发射极相连接且接地；所述第三运放U1的第三路U1C的正相输入端与第一电流传感器U2的输出端相连接。

优选地，所述第一运放、第二运放、第三运放、第四运放是同一个运放的四路。

优选地，所述第一电阻R1和第二电阻R2分压为第一运放构成的触发电路的比较基准电压。

优选地，所述第一二极管D1的反向截止特性限制第一电容放电通道，在火工品点火电流结束时，第一电容C1通过第六电阻R6放电，第一电容C1电压小于滞回比较电路第二阈值电压前，滞回比较电路输出低电平，信号保持释放电路处于电荷保持状态。

优选地，所述第四运放射输出火工品电流遥测电压，第四运放为第三运放的负反馈，在火工品点火电流持续时间内，第三运放通过第二二极管D2、第三二极管D3为第二电容C2快速充电，使第二电容C2电压在火工品点火电流持续时间内达到第一电流传感器U2输出电压。

优选地，所述第二运放输出的展宽控制信号为持续低电平，第一三极管Q1截止、第四运放输入为高阻，第二电容C2电荷保持，第四二极管D4的稳压管确保第一三极管Q1处于截止状态。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明电流跟踪灵敏、检测准确、芯片少、可靠性高，适用于航天器火工品起爆装置的电流检测。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种基于单运算放大器的微秒级火工品点火电流检测电路的电路原理图；

图2为检测电流展宽时间与火工品点火电流时间的函数关系图；

图3火工品点火电流检测过程波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于单运算放大器的微秒级火工品点火电流检测电路，包括三者相互连接的瞬态电流采样触发电路、保持时间控制电路、信号保持释放电路。

瞬态电流采样触发电路是由电流传感器和触发电路组成，具备将瞬时的电流信号转化为瞬时的电压信号，同时触发保持时间控制电路。

保持时间控制电路是由RC延时电路和滞回比较电路组成，实现火工品点火电流的快速捕捉，并产生展宽控制信号。

信号保持释放电路是由RC电路、开关电路和运算放大电路组成，具备信号电荷保持与释放功能。

瞬态电流采样触发电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电流传感器U2、第一运放U1的第一路U1A。

保持时间控制电路包括第一二极管D1、第一电容C1、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第二运放U1的第二路U1B。

信号保持释放电路包括包括第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第二电容C2、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第三运放U1的第三路U1C、第四运放U1的第四路U1D、第一三极管Q1。

第一运放、第二运放、第三运放、第四运放是同一个运放的四路，1个电流传感器、1个运算放大器、若干电阻电容二极管及三极管实现火工品点火电流检测功能。

第一电阻、第二电阻分压作为由第一运放构成的触发电路的比较基准电压，当第一电流传感器输出电压超过基准电压时，第一运放输入由低电平变为高电平，高电平维持时间与火工品点火持续电流时间相同，触发保持时间控制电路工作。

在第一运放输出为高电平器件，通过第一二极管、第五电阻为第一电容提供快速充电。充电时间为火工品点火电流维持时间t1，第一电容电压为：Uc1＝10.3-10.3e^-t1/(R1*C1)。

第一二极管输出与第二运放的反向输入端直接连接，触发电路输出高电平时，第一二极管输出大于滞回比较器的第一阈值电压，滞回比较输出低电平启动采样保持，该过程不受第一电容充电时间影响。

第一二极管的反向截止特性限制第一电容放电通道，在火工品点火电流结束时，第一电容通过第六电阻放电，第一电容电压小于滞回比较电路第二阈值电压前，滞回比较电路输出低电平，信号保持释放电路处于电荷保持状态。第一电容放电放电时间t2取决于电容初始电压Uc1和滞回比较电路的第二阈值电压，如R7＝20kΩ，R8＝R9＝10kΩ时，第二阈值电压约为2.4V。

展宽控制时间t＝t1-R2*C1*ln(2.4/(10.3-10.3e^-t1/(R1*C1)))。

如图2所示，C1＝0.235uF，R1＝500Ω，R2＝5.5MΩ，火工品点火电流持续时间200us-80ms时，火工品点火电流遥测展宽时间在1.5s-2s之间，提高了火工品电流检测灵敏度。

第四运放射随电路输出火工品电流遥测电压，同时第四运放作为第三运放的负反馈，在火工品点火电流持续时间内，第三运放通过第二二极管、第三二极管为第二电容快速充电，使第二电容电压在火工品点火电流持续时间内达到第一电流传感器输出电压。如第二电容为0.5uF时，充电时间约120us。

第二运放输出的展宽控制信号为持续低电平期间，第一三极管截止、第四运放输入为高阻，第二电容电荷保持，实现电流遥测信号的保持与展宽。火工品点火电流检测过程，电路中各部分波形时序关系如图3所示。

第二运放输出的展宽控制信号为持续低电平期间，第四二极管的稳压管确保第一三极管处于截止状态，防止第一三极管因地线干扰等误导通。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims

1.一种基于单运算放大器的微秒级火工品点火电流检测电路，其特征在于，包括三者相互连接的瞬态电流采样触发电路、保持时间控制电路和信号保持释放电路；

所述瞬态电流采样触发电路包括电流传感器和触发电路，所述瞬态电流采样触发电路将瞬时电流信号转化为瞬时电压信号，且所述瞬态电流采样触发电路触发保持时间控制电路；

所述信号保持释放电路包括RC电路、开关电路和运算放大电路，所述信号保持释放电路进行信号电荷保持与释放；

所述瞬态电流采样触发电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电流传感器U2和第一运放U1的第一路U1A；

所述第一电阻R1的一端接地，另一端分别与第一电流传感器U2的输出端和第一运放U1的第一路U1A的正相输入端电连接，所述第一电流传感器U2的正极端与电源VCC相连接，所述第一电流传感器U2的负极端接地；所述第二电阻R2的一端与电源VCC相连接，另一端分别与第三电阻R3的一端和第一运放U1的第一路U1A的反相输入端相连接，所述第三电阻R3的另一端接地；所述第四电阻R4的一端接地，另一端与第一运放U1的第一路U1A的输出端相连接；

所述保持时间控制电路包括第一二极管D1、第一电容C1、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10和第二运放U1的第二路U1B；

所述第一二极管D1的正极分别与第一运放U1的第一路U1A的输出端和第四电阻R4相连接，所述第一二极管D1的负极分别与第五电阻R5和第二运放U1的第二路U1B的反相输入端相连接，所述第五电阻R5的另一端分别与第一电容C1的正极和第六电阻R6相连接，所述第一电容C1的负极和第六电阻的另一端相连接且接地，所述第二运放U1的第二路U1B的正相输入端分别与第七电阻R7、第八电阻R8和第九电阻R9相连接，所述第七电阻R7的另一端与电源VCC相连接，所述第八电阻R8的另一端接地，所述第九电阻的另一端分别与第二运放U1的第二路U1B的输出端和第十电阻R10相连接；

所述信号保持释放电路包括第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第二电容C2、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第三运放U1的第三路U1C、第四运放U1的第四路U1D和第一三极管Q1；

所述第二二极管D2的正极分别与第十一电阻R11和第三运放U1的第三路U1C的反相输入端相连接，所述第二二极管D2的负极分别与第三二极管D3和第十二电阻R12相连接；所述第三二极管D3的负极分别与第二电容C2的正极、第十三电阻R13和第四运放U1的第四路U1D的正相输入端相连接；所述第四二极管D4的正极分别与第十四电阻R14和第一三极管Q1的基极相连接，所述第四二极管D4的负极与第十电阻R10的另一端相连接；

所述第二电容C2的负极接地；所述第十一电阻R11的另一端分别与第四运放U1的第四路U1D的反相输入端和输出端相连接；所述第十二电阻R12的另一端与第三运放U1的第三路U1C的输出端相连接；所述第十三电阻R13的另一端与第一三极管Q1的集电极相连接；所述第十四电阻R14的另一端与第一三极管Q1的发射极相连接且接地；所述第三运放U1的第三路U1C的正相输入端与第一电流传感器U2的输出端相连接；

所述第一运放、第二运放、第三运放、第四运放是同一个运放的四路。

2.根据权利要求1所述的一种基于单运算放大器的微秒级火工品点火电流检测电路，其特征在于，所述第一电阻R1和第二电阻R2分压为第一运放构成的触发电路的比较基准电压。

3.根据权利要求1所述的一种基于单运算放大器的微秒级火工品点火电流检测电路，其特征在于，所述第一二极管D1的反向截止特性限制第一电容放电通道，在火工品点火电流结束时，第一电容C1通过第六电阻R6放电，第一电容C1电压小于滞回比较电路第二阈值电压前，滞回比较电路输出低电平，信号保持释放电路处于电荷保持状态。

4.根据权利要求1所述的一种基于单运算放大器的微秒级火工品点火电流检测电路，其特征在于，所述第四运放射输出火工品电流遥测电压，第四运放为第三运放的负反馈，在火工品点火电流持续时间内，第三运放通过第二二极管D2、第三二极管D3为第二电容C2快速充电，使第二电容C2电压在火工品点火电流持续时间内达到第一电流传感器U2输出电压。

5.根据权利要求1所述的一种基于单运算放大器的微秒级火工品点火电流检测电路，其特征在于，所述第二运放输出的展宽控制信号为持续低电平，第一三极管Q1截止、第四运放输入为高阻，第二电容C2电荷保持，第四二极管D4的稳压管确保第一三极管Q1处于截止状态。