超高速攝影機電控系統設計

　　邏輯電路XC95288的功能設計

　　XC95288是Xilinx公司的在系統可編程CPLD器件，主要用來完成邏輯控制和轉鏡速度測量等功能，其控制的內容包括轉鏡速度和外部同步信號的讀取、控制機械快門、脈沖氙燈以及觸發目標，同時也控制MAX485等芯片實現與上位控制計算機的半雙工通信。

　　XC95288與MAX485的連接電路如圖3所示。

　　超高速攝影機需要將轉鏡加速到預定的拍攝速度，并能夠維持數秒(維持時間不宜過長，否則將損壞電機)，以等待拍攝目標的到來。因此要設定拍攝速度的自動選擇環節，當轉鏡速度達到預定的轉速時，它能自動給出信號以穩定電機轉速。當攝影頻率為500萬幀/秒=5×106fps時，拍攝320個畫幅對應轉鏡的旋轉角度為120°，此時轉鏡轉速n為：n=(120/360)fω/N=(1/3)×5×106/320=5208.33rps=312500.0rpm。

　　為了測量電機轉速是否達到設定的轉動速度，這里設計一個速度測量電路，其參數如下：(a)頻率測量范圍：10Hz~1MHz;(b)測量分辨率：1Hz;(c)測量通道靈敏度：50mVpp;(d)通道輸入阻抗：≥100kΩ。

　　(1)電機信號整形電路

　　電機轉速輸入的速度頻率信號是方波，并且信號的測量通道靈敏度為50mVpp，為此需要將速度信號放大整形成標準的TTL電平的方波信號，便于XC95288對信號脈沖的計數，放大電路需要將最小為Vpp=50mV的信號經過放大整形后變成Vpp=5V電平，并且前向通道電阻≥100kΩ，則放大電路的電壓放大倍數為：

　　輸入電阻Ri≥100kΩ，并且工作頻率要求為10Hz~1MHz，由上述要求選用了AD8014，其3dB帶寬為140MHz，符合放大要求，而整形電路采用施密特觸發器74HC14。具體電路如圖4所示。

　　第一級射級跟隨器提高了輸入阻抗，使其滿足Ri≥100kΩ的要求，使得信號基本上送入后級，再經過兩級的放大使信號放大，最后經施密特觸發器整形成比較好的方波信號，為后面的處理提供信號。

　　(2)電機速度頻率測量電路

　　XC95288主要實現對被測信號的脈沖個數進行處理，并通過串口發送到PC上進行實時顯示。這里采用有源晶振40MHz進行分頻得到計時標準時鐘，標準時鐘為電機速度頻率測量提供精度相對較高的時基信號，其時間的穩定性和精度將會直接影響到測量的準確性。

　　用XC95288實現電機速度測量的電路結構如圖5所示。