智能弹药磁引信探测电路设计

实验题目：智能弹药磁引信探测电路设计

课程简要信息

课程名称：电工与电子技术

课程学时：理论40+实验16

项目学时：课内6+课外6

适用专业：地雷爆破与破障工程

学生年级：大三上学期

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

磁引信具有探测灵敏度高、抗干扰能力强、不受云雾烟尘影响等优点，在智能弹药引信设计中得到广泛应用。本实验综合性较强，针对前期基础实验任务单一、与军事应用结合不够紧密、创新拓展任务弱无法满足青年学员和士兵学员多层次发展需求的痛点，围绕智能弹药磁引信如何探测到目标、怎么识别目标、何时引爆等问题开展教学设计。实验要求设计一种智能弹药磁引信探测电路，借助磁传感器捕捉抵近目标对地磁场的扰动，经过前级差分放大、低通滤波、后级放大和全波检波等处理，为智能弹药中的电雷管起爆提供合适的启动信号。实验要求设计出完整电路图，并用Multisim软件进行仿真验证，最后进行硬件制作和调试，电雷管用发光二极管模拟。

2.1 基本任务

1）设计正负稳压电源，将单极性锂电池输出转换成±5V稳定电压，为整个电路提供低纹波电源。

2）设计差分放大电路，采用运算放大器将磁传感器输出的uV~mV微弱差分信号转换成单端信号并放大100倍。

3）设计低通滤波电路，消除高频噪声对磁场探测信号的影响，截止频率设定为1.5kHz。

4）设计后级放大电路，去除前端电路的直流偏移量，将滤波后的磁场信号放大20倍，驱动模拟电雷管起爆的发光二极管。

5）完成以上任务电路设计仿真验证，搭建面包板并进行调试。

2.2 拓展任务

1）设计时机判定电路，对测得的双极性磁场信号进行绝对值检波输出，利用Arduino开发板的模拟端口采集磁场信号并编程进行阈值判定，实现在最有利的时机起爆电雷管。模拟电雷管起爆的发光二极管用Arduino数字端口驱动。

2）完成整个电路设计仿真验证，进行洞洞板焊接和调试；或用不同方案实现该实验，自行设计PCB板并焊接调试。

实验过程及要求（限300字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

整个实验分为课前预习、课中实验、课后总结拓展三个阶段：

第一阶段：课前预习

1）学习正负稳压电源、多级运算放大、低通滤波和全波检波电路的设计原理。

2）查阅 AD620、LM358、MR2503、78L05/79L05等芯片数据手册，熟悉其工作原理及主要参数。

3）根据实验任务，确定电路设计方案，合理选择元器件型号；运用 Multisim 等软件完成电路的仿真验证。

第二阶段：课中实验

1）按照仿真电路分模块完成电路板的制作。

2）借助万用表、信号发生器、电压探头、示波器等设备进行电路板的调试。

3）记录实验过程中的数据、现象和问题，改进并完善电路。

4）检查验收。

5）和同学们交流经验、分享心得

第三阶段：课后拓展总结

1）拓展提高。完成全波检波电路设计和制作，利用Arduino开发板的模拟端口采集磁场数据并进行处理，探究如何在最有利的时机起爆电雷管；尝试用不同方案实现该实验，自行设计PCB板。

2）整理实验数据，完善电路设计，分析总结实验中出现的问题，撰写实验报告。

相关知识及背景（限150字）

项目涉及所需的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

磁引信探测电路设计是一个综合运用电路理论和电子技术解决军事领域实际工程问题的典型案例，涉及弱磁场探测、正负稳压电源设计、滤波去噪、信号多级放大、全波检测、Multisim 软件仿真、电路板焊接调试、arduino开发板编程应用等知识点，并涉及万用表、信号发生器、电压探头、示波器等设备的使用。

实验环境条件

项目实施需要实验资源，包括实验装置功能、实验仪器设备、设计软件工具、主要电子元器件等。

实验工具：电烙铁、焊锡丝、斜口钳、吸锡器、松香、镊子；

仪器设备：万用表、信号发生器、电压探头、数字示波器；

软件工具：Multisim、立创EDA、Arduino IDE；

电子元器件：磁传感器、稳压芯片、运算放大器、电阻、电容、二极管、面包板、洞洞板和Arduino开发板等。

图5.1 实验所需的仪器设备和元器件

教学目标与目的（限150字）

如学习、运用知识、技术、方法等；培养、提升技能、能力、素质等。

1）掌握低纹波正负稳压电源设计方法；

2）学会对微弱信号进行多级放大和滤波去噪；

3）掌握双极性脉冲信号的全波检波方法；

4）熟悉电路EDA 软件和Arduino数据采集编程，领会仿真与实操的区别和联系；

5）培养自主学习与动手实践能力，运用理论知识分析排除故障的能力；

6）提升工程素养、系统意识和使命担当。

教学设计与实施进程

课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。教学模式、实验渠道、研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题等方面设计等。实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

本实验的过程是一个比较完整的工程实践，需要经历资料查阅、研究讨论、方案设计、仿真验证、焊接调试、总结归纳等过程。教学过程中贯彻“以战领教，学为主体”的教学理念，综合考虑学生专业特点和任职岗位需求，以典型智能弹药磁引信探测电路设计为牵引，采取“把握核心知识、强化实践能力、贴近军事前沿”的思路方法，优化教学设计。以目标需求为牵引，通过逆向设计加强对学生的引导。具体设计如图 7.1 所示。教学过程中融入“能打仗，打胜仗”、“自主可控，科技强军”、“抓住时机，主动作为”等思政元素。

图7.1 实验教学设计

整个教学过程分为课前预习、课中实验和课后拓展总结，具体实施如下。

7.1课前预习

1）网络平台布置任务，明确实验项目的完整功能和任务要求，2~3人一组分工合作；

2）提供AD620、LM358、78L05/79L05和MR2503等芯片数据手册，熟悉其工作原理及主要参数。

3）引导学生将实验项目分解成多个模块。各个模块的实现方法有多种可能，应考虑各个方案的优缺点，选择合理的设计方案。发布以下预习问题：

• 稳压电源模块：为什么需要正负稳压电源？DC-DC和LDO方案的优缺点？怎样减小电源纹波？

• 差分放大模块：怎么将差分信号转换为单端信号？放大倍数如何确定？

• 低通滤波模块：滤波器截止频率的确定依据是什么？选有源滤波还是无源滤波？滤波器的结构形式？

• 后级放大模块：前端电路模块的直流偏移量怎么消除？交流耦合和直流偏置调零两种方案如何选择？

• 时机判定模块：如何实现绝对值电路？桥式整流检波和精密全波检波的优缺点？如何确定起爆电雷管的最佳时机？

4. 要求学生运用 Multisim 软件完成电路设计和仿真，验证设计的正确性。

5. 熟悉Arduino开发板的功能和编程平台的使用。

7.2课中实验

1）通过智能弹药案例引入实验教学内容，简要介绍实验电路原理和注意事项。学生在充分预习的基础上分模块完成电路板制作，利用实验室万用表、信号发生器、电压探头、示波器等设备测试各模块电路的相关参数。

• 稳压电源模块：万用表测量输出电压是否为±5V，用示波器交流耦合档测量电源纹波大小。

• 差分放大模块：在磁传感器附近晃动含铁磁材料物体（如螺丝刀、斜口钳、手机等），用电压探头、示波器观察AD620放大器输出端是否有变化的磁场信号，记录波形。

• 低通滤波模块：信号发生器输出10V/10kHz的模拟噪声干扰信号，载流导线靠近磁传感器，观察滤波前后效果变化，记录波形。

• 后级放大模块：在磁传感器附近晃动铁磁性物体，用电压探头、示波器测量LM358放大器输出信号是否正确？示波器设置为500ms~1s/格、1V~2V/格，记录波形。

2）针对每组实验过程中碰到的具体问题针对性指导，提高发现问题、思考问题、解决问题的能力。

3）验收时检查电路各模块的设计参数是否合理，能否完成任务要求，是否完成拓展实验部分。

4）课堂小结，对学生遇到的共性问题再次进行讲解。

7.3课后拓展总结

1. 学有余力的学生完成拓展任务电路板焊接和调试。用电压探头、示波器测量检波后的信号是否正确？观察检波前后信号的幅值变化，记录波形。在磁传感器附近晃动铁磁性物体，观察Arduino开发板能否同步驱动模拟电雷管起爆的发光二极管闪灭。

2. 学生根据实验报告要求撰写实验报告,并附上心得体会，鼓励学生记录实验过程中遇到的问题以及解决方法。

3. 邀请优秀作品的学生交流经验，分享心得。

实验原理及方案

实验的基本原理、设计依据、完成任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

8.1系统结构

本实验采用模块化设计方法，将智能弹药磁引信探测电路分为正负稳压电源模块、前级差分放大模块、低通滤波模块、后级放大模块、引爆时机判定模块和基本外设（开关、信号指示灯）等部分，具体如图8.1所示。模拟负载为模拟电雷管起爆的发光二极管。

图8.1 智能弹药磁引信探测电路结构框图

8.2实现方案

1) 正负稳压电源模块

磁传感器输出为正负双极性信号，为提高磁引信探测电路的动态范围，需设计正负双极性稳压电源。正负电源实现方案有多种，图 8.2 给出两种参考电路设计，输入输出端的并联电容起到降低纹波的作用。其中，a）图是用LDO线性稳压芯片进行稳压，输出纹波可以控制在很低的水平；b）图是用DC-DC转换模块实现，转换效率高但纹波较大，通常在几十mV以上。

a)方案1：LDO线性稳压 b)方案2：DC-DC转换

图 8.2 正负稳压电源模块

2）差分放大模块

磁传感器捕捉抵近目标对地磁场的扰动后输出的差分信号非常微弱，一般在uV~mV量级，并含有2.5V左右的共模分量，很难直接进行采样检测。仪表放大器除了具备足够大的放大倍数外，还具有较高的输入阻抗和高共模抑制比。因此，实验参考电路中采用AD620低噪声仪表放大器将微弱的磁场信号放大100倍，放大倍数只需电阻R3调节。在进行Multisim仿真时，磁传感器等效电路中引入10kHz的调频信号和2mV直流偏移量，叠加在待测的磁场差分信号上，用于模拟高频噪声干扰和失调电压。直流偏移量经放大后变为200mV，见图8.3中红色波形。

图 8.3 差分放大模块

3) 低通滤波模块

根据典型军事目标的移动速度，可估算出其对地磁场的扰动信号频率通常小于500Hz。为消除外部干扰和电路自身噪声的影响，设计低通滤波器消除高频信号的干扰，截止频率设定为1.5kHz。给出的参考电路为二阶RC低通滤波电路，分为无源滤波和有源滤波两种方案，如图 8.4 所示，电阻和电容的参数自行选取。

滤波器的幅频特性利用Multisim中的“波特表”或“AC扫描”得到。c）图中红色波形为叠加10kHz干扰的输入波形，蓝色波形为滤波器滤除干扰后的输出波形。

a)方案1：无源滤波 b)方案2：有源滤波

c)滤波前后波形对比

图8.4 低通滤波模块

4) 后级放大模块

后级放大模块可进一步提高磁引信探测电路的灵敏度和信噪比，并将信号调整到适宜数据采集的范围。实际应用中磁传感器和运算放大器一般都存在失调电压，即使外界磁场信号为零，也会输出一个非零的直流量，经放大后可能导致后级运放饱和无法正常工作。因此在后级放大模块的输入端要设法将直流偏移量消除只放大交变的磁场信号，图8.5参考电路给出了交流耦合和直流偏置调零两种方案。运算放大器采用LM358芯片，放大倍数设定为20倍。c）图中红色波形为输入信号，蓝色波形为消除直流偏移量并放大20倍后的输出波形。当输出电压U3足够大时，可点亮模拟电雷管起爆的发光二极管。

a)方案1：隔直电容实现交流耦合 b)方案2：直流偏置调零

c)放大前后信号波形对比

图8.5 后级放大模块

5) 时机判定模块

本部分内容为拓展任务，包括全波检波、数据采集和阈值判定。

全波检波：经实测磁传感器输出的典型信号波形见图8.6，信号的正负取值与目标的运动轨迹有关。当信号为负时，模拟电雷管的发光二极管将无法点亮，会造成漏判、误判。因此，需要设法将负的磁场信号转换为正脉冲信号，能实现该功能的电路通常称为绝对值电路或全波检波电路。

目标

靠近

目标

远离

目标正面运动

目标

靠近

目标

远离

目标侧面运动

图8.6 移动目标典型磁场测试波形

实验中设计如图8.7所示的全波检波模块，方案1选用低压降锗二极管组成桥式整流电路实现绝对值输出，电路简单，但有二极管产生的压降损失；方案2通过两个运放实现精密全波检波，电路相对复杂但无压降损失。检波效果见c）图和d）图，红色波形为输入的双极性磁场信号波形，蓝色波形为全波检波后的输出波形。这样即使磁场为负信号，经全波检波后也可以点亮模拟电雷管的发光二极管。

a)方案1：桥式整流检波 b)方案2：精密全波检波

c)方案1检波效果 d)方案2检波效果

图8.7 全波检波模块

图8.8 Arduino数据采集和阈值判定编程

数据采集和阈值判定：为避免磁引信探测电路受工频磁场或其他扰动信号的影响引起误爆，实验中增加了数据采集和阈值判定，如图8.8所示。通过软件编程，借助Arduino开发板上的模拟端口采集全波检波后的磁场信号，采用固定阈值检测方法，如在规定的时间内连续多次采样信号均超过固定阈值，则判定有目标进入杀伤半径区域。控制Arduino开发板上的数字端口输出高电平，点亮模拟电雷管的LED灯。此外，也可通过计算磁场梯度变化判断目标是在靠近还是远离，还可结合红外、距离、震动等传感器信号进行综合判定，实现在最有利时机起爆电雷管或定向起爆。

图 8.9 学生电路板制作及成品

图 8.10 学生课中调试各模块电路

图 8.11 学生课外拓展完成的PCB设计图和Arduino硬件电路设计

实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等）。

实验报告需要反映以下工作：

1. 实验项目名称

2. 实验内容及要求

3. 实验仪器及元器件

4. 实验各模块电路设计、参数计算与仿真分析

5. 实验数据记录和数据分析

6. 实验结果总结

考核要求与方法（限300字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

1）实验预习：是否完成课前预习问题，考察实验方案的合理性、电路设计的完整性、正确性，Multisim仿真结果的完成度、是否正确等。（20%）

2）实验过程：主要考察学生电路板制作质量，对实验设备和实验方法的熟练程度，是否能正确分析和处理实验中的故障，以及对实验现象的正确解读，各模块电路功能和指标是否达到既定要求，拓展实验的完成情况。（50%）

3) 实验报告：实验报告的规范性与完整性、数据准确性，有无记录实验中出现的问题和解决方法，对实验结果有自己的独立分析和思考。（30%）

具体考核评分标准见表10.1。

表 10.1 实验考核评分表

项目特色或创新（可空缺，限150字）

项目的特色在于：项目背景的工程性，知识应用的综合性，实现方法的多样性。

1. 紧贴地爆专业需求，围绕智能弹药磁引信开展实验设计，具有很强的军事应用背景；

2. 实验任务难度适当，知识覆盖面广，综合性强，打通通往后续专业课程的最后“一公里”。

3）采用模块化设计，化繁为简便于故障排查；各模块电路实现方法多样，给予学生足够的思考和创新空间。

4）课内外多层次拓展，促进青年学员和士兵学员差异化发展，为学生参加电子设计俱乐部和创新比赛奠定良好基础。