数字式电子定时器

数字式电子定时器是通过累积具有一定时间间隔的离散电脉冲数来实现计时的定时器，通常由电源、时基振荡器、同步脉冲发生器、接口电路、控制电路、分划定标电路、存储计数器和执行电路等组成，其组成框图如图5-29所示。其中，时基振荡器用于产生标准时基脉冲；同步脉冲发生器用来按给定条件的特定脉冲对各部件进行时间上的统一控制；接口电路用于连接装定器并传输装定信息和检査信息；控制电路用于对复零、装定、计时、检查、询问等功能进行逻辑控制；分划定标电路用于降低时基振荡器的振荡频率，使其输出信号的周期与装定时间间隔一致；存储计数器用于存储由装定器输入的时间信息并进行计数，当累积脉冲数计满或减至零时，输出进位（或借位）脉冲，使执行电路工作。

图5-29　数字式电子定时器框图

一种典型的数字式电子定时器的逻辑图如图5-30所示，下面分析其主要组成部分的电路原理。

图5-30　数字式电子定时器逻辑图

对于承受高过载的时基振荡器，一般采用RC或LC时基振荡器。在设计电路时，需考虑高冲击过载后电路参数、供电电压、温度等变化所引起的时基振荡器频率变化，并采取高性能元器件、稳压、装定器零漂补偿等措施。

对于承受低过载的时基振荡器，应采用石英晶体振荡器，石英晶体振荡器可达到很高计时精度，但要解决快速起振问题；也可采用RC、LC等振荡器，用装定器对其频率温漂进行补偿。

对于用码盘装定的迫弹电子时间引信中的电子定时器，应采用石英晶体振荡器，以保证计时精度。石英晶体应满足冲击过载条件下的强度要求。

图5-30所示的数字式电子定时器采用简单的RC振荡器，如图5-31（a）所示。为消除电压变化对振荡器频率的影响，应采用稳压电路，如图5-31（b）所示。振荡器供电采用两极稳压方法，以提高时基振荡器的频率稳定度。

图5-31　RC振荡器及稳压电路
（a）RC振荡器；（b）稳压电路

同步脉冲发生器（长、短脉冲发生器）应在通电后产生单次脉冲，使电子定时器恢复到初始状态，同时将存储单元中所存的装定时间信息取到计数器中，并开始计时。

计时电路每一次通电，同步脉冲发生器产生一个持续时间较长的脉冲和一个持续时间较短的脉冲，以完成计时电路清零和从存储单元取数等功能。长脉冲和短脉冲的产生还取决于时基振荡器，只有当供电时基振荡器起振后，由时基脉冲通过同步脉冲发生器才产生长脉冲和短脉冲。同步脉冲发生器逻辑图如图5-32所示，其波形图如图5-33所示。

图5-32　同步脉冲发生器逻辑图

图5-33　同步脉冲发生器波形图

分划定标电路实际上是一个分频器，它将时基振荡频率分频到每个脉冲的周期为引信的装定时间间隔值，即分频到10Hz，每个脉冲周期为0.1s。

分划定标电路由十级二进制分频器组成，其中一级分频器的电路图及其逻辑符号如图5-34所示。长脉冲将分频器置1，IN为分频器计数输入端，S端为分频器的输出端。

图5-34　一级分频器电路图及其逻辑符号

一级分频器与存储计数器计数波形图如图5-35所示。

图5-35　一级分频器与存储计数器计数波形图

存储单元采用MNOS双栅场效应管。通常要求在发射周期开始前对电子时间引信进行装定，发射后电源供电开始计时。在装定结束和发射周期开始前这一段时间内，电源不供电。MNOS管是比较理想的可电改写、电擦除的非易失性只读存储单元，在不需供电情况下能长时间地保存写入的时间信息。

在MNOS双栅场效应管栅极加一定幅度不同极性的极化电压，可改变其开启电压，从而使MNOS管变为增强型场效应管或耗尽型场效应管。MNOS管的开启电压与极化电压幅度和持续时间的函数关系如图5-36所示。

图5-36　MNOS管的开启电压与极化电压幅度和持续时间的函数关系

用宽度为10ms、幅值30V的电脉冲加在MNOS管栅极进行极化时，MNOS场效应管变为耗尽型，漏源导通，读出偏压在1.5V～之间；用宽10ms、幅值-30V的电压极化时，MNOS场效应管不导通，变为增强型场效应管，直到读出偏压达到-4.5V或更大负偏压时，MNOS管才导通。选取读出偏压在1.5～-4.5V之间，那么MNOS场效应管在30V极化时导通，在-30V极化时不导通。一般规定MNOS场效应管导通定义为“1”，不导通定义为“0”。

存储计数器是在二进制分频器单元电路的基础上，与MNOS场效应存储管相配合，达到既能存储又能计数的目的。图5-30中的M0～M10存储计数器单元电路图及其逻辑符号如图5-37所示。

图5-37　M0～M10存储计数器单元电路图及逻辑符号

在图5-37中，V1为MNOS存储管，V2、V3及其他三极管为PMOS场效应管，为极化脉冲输入端。当存储计数器单元电路未通电时，在Vp端输入正极化脉冲（30V）对存储管清零，则V1管变为耗尽型场效应管。存储计数器电路通电后，短脉冲加到V3栅极，长脉冲加到V2栅极，由于V1导通，电路通过V1、V2使S端与地间导通，通过V3使端与地间导通。但由于短脉冲持续时间短，长脉冲持续时间长，使得存储计数器单元电路稳定在S端而输出高电位、端输出低电位，即存储计数器单元电路输出为“1”状态；若存储计数器单元电路为“1”状态，则S端为高电位、端为低电位。在V1栅极加负极化脉冲写入，则V1栅极和源极加-30V、10ms脉冲电压，V1变为增强型场效应管并且不导通；断电后再通电时，由于V1不导通，则在短脉冲作用下，存储计数器单元电路S端输出低电位，端输出高电位，即存储计数器单元电路输出为“0”状态；若存储计数器单元电路为“0”状态，S端输出低电位，端输出高电位。在V1栅极加负极化脉冲写入，由于V1源极为低电位，则V1栅极和源极间所加脉冲幅度小于20V，因此V1管栅极不能被极化，V1管不截止，仍维持在清零正极化脉冲作用后的状态，即V1管为耗尽型场效应管，为导通状态；断电后再通电时，S端输出高电位，端输出低电位。

存储计数器是原码存入，反码读出。为了使存储计数器读出后由反码变成补码，将分频器（分划定标电路）在加电位后由长脉冲全置为“1”状态，而不置为“0”状态。这样，送入分频器的第一个计数脉冲就将分频器计数到全为“1”状态，并将一个进位脉冲送到存储计数器，使存储计数器中的数由反码变为补码。

图5-38　M11存储计数器局部电路及逻辑符号

M11存储计数器和M0～M10基本相同，不同的是V1和V2调换位置，其局部电路和逻辑符号如图5-38所示。由于V1和V2调换位置，V1存储管在负极化脉冲作用下不导通，在正极化脉冲作用下导通，而与存储计数器M11的S端或端的电位无关。

正极化脉冲（存储器清零）作用后，再通电，则M11存储计数器为“1”状态；负极化脉冲作用后，再通电，则存储计数器M11输出“0”状态。

M12是一个带有MNOS存储管的RS触发器，其存储和读出过程与M11相同，只是M12不能计数。M12的功能是区别装定状态和询问状态。若是进行装定，应先正极化，通电后则M12为“1”状态，S端为高电位；若是装定后进行询问，应在装定结束后进行，即在负极化脉冲写入后进行询问。询问时通电后，M12为“0”状态，端为高电位，用此电位可控制相应的门电路开启或关闭。M12存储器单元电路图及其逻辑符号如图5-39所示。

图5-39　M12存储器单元电路图及逻辑符号

1）快速装定与检查控制电路

若按正常计时速度装定与检查，则装定或检查一次最长时间近200s，这在实际中是不允许的。为了提高装定与检查速度，应设计快速装定与检查控制电路，其逻辑图如图5-40所示。快速装定与检查控制电路可将装定与检查速度提高512倍，使得装定或检查一次的时间不超过0.5s。

图5-40　快速装定与检查控制电路逻辑图

图5-40中，A点为引信电源输入端；B点为装定电源输入端；C点输入的是分频器输出脉冲，为10Hz；D点输入的是时基频率经过二分频后的脉冲信号，为5.12kHz；E点电位输至执行电路；F点的电压输出作为电子定时器电源；G端输出快速检查或正常工作脉冲信号。

在正常计时时，该电路由引信电源供电，电阻R一端为引信电源电位。若由装定电源供电，则R两端均为地电位。

在装定或检查时，电子定时器由装定器供电，由两个与非门组成的RS触发器的S端输出低电位。此时，D端输入的信号（5.12kHz）通过与或非门的G端输出5.12kHz信号到存储计数器计数；当引信正常工作时，则电路由引信电源供电，S端输出低电位，C端的输入信号（10Hz）通过与或非门，由G端输出10Hz的信号到存储计数器计数。

从图5-40中还可看出，只有引信电源供电时才对执行电路供电，因此它提高了引信安全性。

2）检查与询问控制电路

将存储计数器和分频器并联后可进行快速计数，检查与询问控制电路逻辑图如图5-41所示。装定过程中对电子定时器检查时，先输入正极化脉冲，在装定器电源对电子定时器通电后，分频器和存储计数器都为“1”状态，M12的输出低电位。分频器和存储计数器同步计数，若计数器和其他电路无差错，则存储计数器计满后，门D1有符合脉冲输出，再经过门D3将检查信号送到装定器；若无回答信号输出，则表示电子定时器有故障。

图5-41　检查与询问控制电路逻辑图

在询问时，由装定器对电子定时器供电后，电子定时器中的同步脉冲发生器产生的短脉冲和长脉冲，将存储计数器中所存的时间信息以反码的形式取到存储计数器的计数器中，M12中的端为高电位，电子定时器开始计数。当存储计数器计满时，门D4输出负脉冲，通过门D2、门D3到装定器，装定器根据此脉冲确定装定、写入、存储正确与否。

3）弹道保险与点火控制电路

当存储计数器计到M5～M10全为“1”时（此时M0～M4全为“0”），经与门输出一正脉冲信号，此信号刚好是t-3.2s（t为装定时间）。弹道保险与点火控制电路如图5-42所示。

图5-42　弹道保险与点火控制电路

当对电子定时器供电时，长脉冲将使D1、D2和D3、D4组成的两个RS触发器恢复到原始状态，即D1、D4输出低电位，此时t-3.2s端输入高电位，计满信号端输入高电位，故V1和V2栅极均输入低电位。A点通过V1和V2导通接地，故A点为低电位。引信电源的充电电流经V1和V2到地，储能电容C不能被充电。在大部分计时（t-3.2s）过程中，电子定时器储能电容不带电，不能起爆或点燃起爆元件，因而保证弹道安全。当存储计数器计时到M5～M10全为“1”状态时，t-3.2s端输入信号由正电位跳变到负电位，则V3、V4导通，导致由D1、D2组成的RS触发器翻转，D1输出高电位，使V1截止。由于V1不导通，引信电源通过对储能电容C充电，此时执行电路开始处于待发状态，即只有当电子定时器计时到装定时间前3.2s时，点火电路才开始处于待发状态，实现了弹道保险。当存储计数器继续计数到计满时，计满信号由高电位跳到低电位，V5导通，此时D5的两个输入端均为高电位，而D5输出低电位，使V6导通，将一个高电位点火信号送到晶体闸流管V7的控制极，V7导通，电容C通过晶体闸流管V7对起爆元件放电，完成起爆或点火过程。

为达到用最少的引线实现装定、询问等功能，确定用地线、装定电源线、信号线三条线来实现。装定线上传输的信号有正极化脉冲、负极化脉冲和由装定器对电子时间引信中的电子定时器检査结束后的回答脉冲及长脉冲。为防止信号线上的多种信号互相干扰和抗外界静电干扰，增加装定接口电路，如图5-43所示。

图5-43　装定接口电路

图5-43中，A端为询问或检査的回答脉冲输入，输入通过V1、V2，在B端输出负脉冲到装定器；B端用作回答脉冲输出，此外，正极化脉冲和负极化脉冲由装定器送到B端，再经过V3或V4送到存储计数器端。负极化脉冲通过V3，正极化脉冲通过V4。回答脉冲是负脉冲，但由于其幅度不超过，故不能通过V3。

由于B端和装定环相通，露在引信体外面。弹在飞行过程中与空气摩擦，会产生104V左右的静电，静电会通过装定环进入电子定时器，干扰计时电路的工作。采用接口电路后，V3和V4两个三极管是共基极电路，其输入阻抗很低，只有几十欧姆，可将输入的静电干扰信号短路。

单元化学电源供电的供电速度快，但电压低，只有1.3～1.9V，不能满足供电电压要求，必须用直流电压变换器升压。直流电压变换器电路如图5-44所示。

图5-44　直流电压变换器电路

V1和V2组成推挽振荡电路，二极管V3和V4提供强正反馈信号，以维持功率振荡。升压变压器次级与二极管V5和V6组成倍压整流电路。改变变压器变比，可将电压调整到所需输出电压。低温时，化学电源输出电压偏低，经直流电压变换器升压后输出的电压不应小于电子定时器维持正常工作的电压；高温时，化学电源输出的电压相对较高，经直流电压变换器升压后输出电压更高，必须采取稳压措施。

数字式电子定时器的装定通过三个装定环来实现：外环为地线，中环为装定信号传输线，内环为装定电源线。

装定时，装定器的装定头与计时电路三环接通后，装定器首先输出正极化脉冲，脉冲通过中环到电子定时器，将MNOS管存储单元清零；然后，装定器对电子定时器供电，使时基振荡器起振，其振荡信号经整形后送到同步脉冲发生器，产生长脉冲和短脉冲。长脉冲将分频器置“1”，使点火控制电路恢复到初始状态；长脉冲和短脉冲配合，将存储计数器置为“1”状态（反码读出）。长脉冲和短脉冲结束后，则对电子定时器进行无损检查。时基振荡器输出的脉冲经由主从触发器二分频后，通过检查与询问电路对分频器和存储计数器并联计数。当计数到某一时刻时，电路通过中环送到装定器一个回答脉冲，启动装定器开始进行装定过程。装定器继续计时，并按装定时间适时输出一个负极化脉冲，通过中环将存储计数器在回答脉冲后继续计的数写入存储单元中去，则装定结束。

询问过程：装定结束后的询问过程与装定过程大部分相同，所不同的是装定器不向电子定时器输出正极化脉冲和负极化脉冲。首先，装定器向电子定时器供电，时基振荡器起振，产生长脉冲和短脉冲，将电路恢复到初始状态，并将存储单元中所存的装定时间信息取到存储计数器中。同时，长脉冲从中环送到装定器，装定器开始计时。长脉冲结束后，存储计数器也开始计时。当存储计数器计满时，输出脉冲经过中环到装定器，装定器由此脉冲判断装定和存储时间是否正确。

电子定时器计时过程：发射周期开始后，化学电源激活，其输出电压由直流电压变换器升压后，对电子定时器供电；时基振荡器起振，并使同步脉冲发生器产生长脉冲和短脉冲。长脉冲将分频器置为“1”状态，并将点火控制电路恢复到初始状态。长脉冲和短脉冲配合，将存储单元中所存的装定时间信息以反码形式取到存储计数器中。长脉冲结束后，时基振荡脉冲经主从触发器二分频后，送到分频器进行计数。由于分频器由长脉冲全置“1”，因此第一个计数脉冲就使分频器全部进位为“0”状态，并产生进位脉冲到存储计数器，使存储计数器中由长脉冲和短脉冲取入的装定时间信息的反码变为补码。由于电子定时器由引信电源供电，分频器最后一位输出的脉冲信号（10Hz）传输到存储计数器并计数。当计数到M5～M10全为“1”时，也就是计时到装定时间前3.2s时，引信电源开始对发火电容充电。当存储计数器计到M0～M10全为“1”时，下一个计数脉冲则使存储计数器中M10产生进位脉冲，使M11翻转，端由高电位跳到低电位，此负跳变位信号经过处理后，使晶体闸流管控制极输入高电位，晶体闸流管导通，发火电容通过晶体闸流管对起爆元件放电，使起爆元件发火。