CN116170696B - 一种提高机械快门安全性的双稳态快门控制器 - Google Patents
一种提高机械快门安全性的双稳态快门控制器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种提高机械快门安全性的双稳态快门控制器，沿信号传输方向依次包括信号调理电路、边沿检测与控制脉冲产生电路、光耦隔离与驱动电路。本发明控制器的电路是由纯硬件电路搭建，动态响应频率高，响应延时时间低，满足快门曝光时间不确定的需求；驱动电路内部功耗更低，是使用可重触发单稳态触发器的产生暂稳态的脉冲实现机械快门双稳态，减少了电磁线圈发热量，从而减少快门对光学系统观测的影响；通过电位器可以便捷地调整快门电磁线圈通电时间，适应不同口径的双稳态快门；巧妙使用自恢复保险丝对快门电磁线圈最长通电时间进行限制，提高了快门工作的可靠性和使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于双稳态机械快门控制技术领域，具体涉及一种提高机械快门安全性的双稳态快门控制器。
背景技术
机械快门是一种控制光线照射CCD或CMOS感光元件时间的装置。主要工作原理是利用电磁线圈驱动快门叶片开合。传统的机械快门从曝光开始一直到曝光结束，其电磁线圈一直保持通电，发热量大尤其对红外观测易产生影响。此外，传统的机械快门如果曝光时间过长，其内部电磁线圈由于长时间的通电易被烧毁，影响快门的使用寿命。
双稳态机械快门电磁线圈工作短暂，仅仅在快门叶片动作的时候通电，减少热量，避免了对光学系统观测造成不利影响。如图1所示为双稳态机械快门结构示意图，双稳态机械快门包含两个电磁线圈(即电磁线圈A1、电磁线圈B2)。当电磁线圈A通电时，快门叶片开始打开，直到快门叶片完全打开后线圈A断电后，快门叶片保持打开状态不变。当电磁线圈B通电时，快门叶片关闭；直到快门叶片完全关闭后线圈B断电后，快门叶片保持关闭状态不变。
当双稳态机械快门叶片已经完全打开或者关闭时，电磁线圈A或B不能及时断电，易造成电磁线圈包发热，导致线包烧毁。此外，对于精密仪器来说，快门的上述机械振动也会影响到CCD或CMOS感光元件的采样结果。对于不同口径的双稳态快门，电磁线圈要求电磁线圈通电时间也不相同，现有的方案很难满足这个要求。
现有控制驱动控制器的电路大多数基于单片机的反馈控制双稳态快门控制驱动电路复杂、动态响应频率低(延迟高)等问题；主要存在以下几种问题：
1)驱动电压为12V，只能适应12V工作电压电磁铁的快门，且驱动脉冲产生电路和驱动电路未隔离，当快门电磁铁电压大于12V的情况下，该驱动脉冲产生电路可能受到驱动电路的影响；
2)驱动脉宽完全取决于RC电路的电阻值或电容值，当驱动脉冲产生电路发生故障造成驱动脉宽过大时，可能造成电磁线圈长时间发热而烧毁；
3)未用滤波电容去除输入信号中携带的噪声，输入信号电压稳定可能受到影响；控制脉冲产生电路工作电压为12V。
4)大多数驱动时间不可调，应用范围比较狭窄。
5)对于高频曝光的情况下，驱动电路为H桥式直流驱动电路或全桥驱动电路的控制器，为避免死区问题(死区就是在导通和关断不是同时进行的)，存在延时问题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种提高机械快门安全性的双稳态快门控制器。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种提高机械快门安全性的双稳态快门控制器，沿信号传输方向依次包括信号调理电路、边沿检测与控制脉冲产生电路、光耦隔离与驱动电路，其中，
所述信号调理电路包括下拉电阻R1、滤波电容以及数据缓冲器，所述下拉电阻R1和滤波电容用于保持输入信号电压稳定，所述数据缓冲器用于提高输入信号的驱动能力，同时用于将输入信号和边沿检测与控制脉冲产生电路进行隔离；
所述边沿检测与控制脉冲产生电路包括可重触发单稳态触发器及其外围的电阻和电容，在外加脉冲的作用下，利用可重触发单稳态触发器的暂稳态维持的时间保持快门的电磁线圈通电，暂稳态回到稳态时自动断开电磁线圈的电源；
所述光耦隔离与驱动电路包括光电耦合器、N沟道MOS管、自恢复保险丝，用于利用边沿检测和控制脉冲产生电路产生低电平脉冲方波信号控制光耦输出的开闭，进而通过控制N沟道MOS管的导通和断开控制快门电磁线圈的通断。
进一步的，输入信号InputSignal+是一路控制CCD或CMOS曝光时间的数字信号，信号高电平持续的时间等于曝光时间。
进一步的，所述数据缓冲器为74LS245或74LCV245，所述可重触发单稳态触发器为74LS123，所述光电耦合器为TL521。
进一步的，当无高电平输入信号输入时，数据缓冲器的A1引脚接收的信号是由下拉电阻R1提供的低电平信号；当输入信号为高电平脉冲时，先经过滤波电容滤除噪声，然后数据缓冲器将输入信号转换成边沿检测与控制脉冲产生电路能够识别的输入信号并由其B1端输出，同时也将二者进行电路隔离。
进一步的，可重触发单稳态触发器的1A引脚连接到地信号，2B引脚连接到控制器内部电压信号，引脚和引脚连接到控制器内部电压信号，数据缓冲器的B1引脚同时连接可重触发单稳态触发器74LS123的1B和2A引脚。
进一步的，当数据缓冲器输出一个调理后的高电平方波信号时，可重触发单稳态触发器的1B引脚检测其上升沿，并且触发引脚输出一个暂态的低电平方波信号；可重触发单稳态触发的2A引脚通过检测其下降沿并且触发引脚输出一个暂稳态的低电平方波信号；当可重触发单稳态触发器的1A引脚和2B引脚无输入信号触发时，引脚和引脚保持控制器内部电压高电平状态；由于可重触发单稳态触发器的1A引脚和2B引脚分别检测上升和下降沿触发，所以引脚和引脚不能同时输出暂稳态的低电平方波信号。
进一步的，光耦隔离与驱动电路用光耦将信号检测与控制脉冲产生电路和驱动电路隔离，光耦U3和光耦U4的发光二极管阴极分别和可重触发单稳态触发器的引脚和引脚相连接，光耦U3和光耦U4的发光二极管的阳极分别通过限流电阻R4和限流电阻R5连接到控制器内部电压。
进一步的，当引脚或引脚为低电平时，光耦U3或光耦U4上的发光二极管发光，相应的感光二极管导通，N沟道MOS管Q1和N沟道MOS管Q2的栅极通过下拉电阻R7和下拉电阻R8接地同时还连接光耦U3或光耦U4的感光二极管的阴极，漏极接地，源极通过自恢复保险丝F1和自恢复保险丝F2连接到快门的两个电磁线圈的一端，两个电磁线圈分别控制机械快门的打开和关闭，快门的两个电磁线圈的另一端接电源；当光耦U3或光耦U4的感光二极管导通时，N沟道MOS管Q1或N沟道MOS管Q2导通，其中一个电磁线圈导通。
进一步的，所述控制器的电路是由纯硬件电路搭建。
进一步的，利用可重触发单稳态触发器产生的暂稳态脉冲实现机械快门双稳态，所述暂稳态是指，单稳态触发器从一个稳定状态翻转到一个暂稳态，在电路中延时环节的作用下，该暂稳态维持时间t后又回到原来的稳定状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明控制器的电路是由纯硬件电路搭建，动态响应频率高，响应延时时间低，满足快门曝光时间不确定的需求；
2)驱动电路内部功耗更低，是使用可重触发单稳态触发器的产生暂稳态的脉冲实现机械快门双稳态，减少了电磁线圈发热量，从而减少快门对光学系统观测的影响；
3)通过电位器可以调整快门电磁线圈通电时间，适应不同口径的双稳态快门；
4)巧妙使用自恢复保险丝对快门电磁线圈最长通电时间进行限制，提高了快门工作的可靠性和使用寿命；
5)电路简单可靠，使用的元器件都是常用的普通元器件。
附图说明
图1是双稳态机械快门驱动示意图；
图2是双稳态机械快门驱动电路框图；
图3是双稳态机械快门驱动电路原理图；
图4是可重触发单稳态触发器的输入和输出信号；
图5是双稳态机械快门驱动控制器的电路时序图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本实施例提供一种功耗更低的双稳态机械快门驱动控制器，图2显示了双稳态机械快门驱动控制器内部电路的组成，主要由信号调整电路、信号检测与控制脉冲产生电路和光耦隔离与驱动电路三个部分组成。
如图3所示，信号调理电路由下拉电阻R1、滤波电容以及数据缓冲器74LS245组成，利用下拉电阻和滤波电容保持输入信号电压稳定，数据缓冲器74LS245可以提高输入信号的驱动能力，同时也可以将输入信号和边沿检测与控制脉冲产生电路进行隔离。边沿检测与控制脉冲产生电路主要由可重触发单稳态触发器74LS123及其外围的电阻和电容构成，工作原理是在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂稳态。由于电路中RC延时环节的作用，该暂态维持一段时间又回到原来的稳态，本发明利用暂稳态维持的时间保持快门的电磁线圈通电，暂稳态回到稳态时自动断开电磁线圈的电源，暂稳态维持的时间取决于RC的参数值。光电隔离与驱动电路由光电耦合器TL521、N沟道MOS管Q1和Q2、自恢复保险丝F1和F2以及一些电阻构成。利用边沿检测和控制脉冲产生电路产生低电平脉冲方波信号控制光耦输出的开闭，进而控制N型MOS管的导通和断开，从而控制快门电磁线圈的通断。
输入信号InputSignal+是一路控制CCD或CMOS曝光时间的数字信号，信号高电平持续的时间等于曝光时间。当该驱动电路无高电平输入信号输入时，74LS245的A1引脚接收的信号是由下拉电阻R1提供的低电平信号。当输入信号为高电平脉冲时，先经过C1、C2、C3和C4滤波电容的调理，滤除输入信号中可能带有的噪声。74LS245将输入信号转换成边沿检测与控制脉冲产生电路能够识别的输入信号并由其B1端输出，同时也将二者进行电路隔离(如果输入信号InputSignal+的高电平为3.3V时，可以将74LS245替换成74LCV245，可以将输入信号电平由3.3V调整为边沿检测与控制脉冲产生电路能识别的5V高电平输入，74LS245和74LCV245的封装尺寸相同，可用同一套PCB板，更换便捷)。可重触发单稳态触发器74LS123的1A引脚连接到地信号，2B连接到+5V信号，和连接到+5V信号，74LS245的B1引脚同时连接着74LS123的1B和2A引脚。如图4所示，当74LS245输出一个调理后的高电平方波信号，74LS123的1B检测其上升沿，并且触发输出一个暂态的低电平方波信号，脉冲宽度tw1与电容C5的容值和电阻R2的阻值有关；74LS123的2A通过检测其下降沿并且触发输出一个暂稳态的低电平方波信号，脉冲宽度tw2与电容C8的容值和电阻R3的阻值有关。当74LS123的1A和2B无输入信号触发时，和保持+5V高电平状态。由于74LS123的1A和2B分别检测上升和下降沿触发，所以和不能同时输出暂稳态的低电平方波信号。为满足不同口径快门的电磁线圈参数需求，本发明的电阻R2和R3使用的是可变电阻，可以根据实际需求调整脉冲宽度。此外，74LS245的1B和2A引脚都连接着滤波电容，消除输入噪声。
光耦隔离与驱动电路的用TL521光耦将信号检测与控制脉冲产生电路和驱动电路隔离，TL521光耦U3和U4的发光二极管阴极分别和74LS123的和相连接，TL521光耦U3和U4的发光二极管的阳极分别通过限流电阻R4和R5连接到+5V。当或为低电平时，光耦U3或U4上发光二极管发光，相应的感光二极管导通。N沟道MOS管Q1和Q2的栅极通过下拉电阻R7和R8接地同时还连接光耦U3或U4的感光二极管的阴极，漏极接地，源极通过自恢复保险丝F1和F2连接到快门电磁线圈A和B的一端，快门电磁线圈的另一端接+24V。本发明由于电磁线圈的工作电压是24V，为减少不同规格电源使用，N沟道MOS的栅极连接的是将24V电源经过R6和R9分压得到的12V，可以根据实际应用情况进行修改。当光耦U3或U4的感光二极管导通时，Q1或Q2导通，电磁线圈A或B导通。自恢复保险丝选择主要是根据电磁线圈的额定工作电流和最长工作时间选取，可以根据不同参数的电磁线圈选择合适的自恢复保险丝。本发明利用自恢复保险丝过流过热保护，自动恢复双重的特性，依据快门电磁线圈参数合理选用满足要求参数的自恢复保险丝，避免因驱动电路的故障或者不合理的驱动脉宽而导致电磁线圈通电时间过长，保护快门。
图5展示的是本发明的双稳态机械快门驱动控制器的电路时序图：te是相机曝光时间，tw1、tw2分别是电磁线圈A、B的驱动时间，td1、td2分别是驱动电路从接收到输入，到输出响应的延迟时间。可以看出，本发明具有如下优点：
1)动态响应频率高，响应的延时低：本发明的控制脉冲信号基于纯硬件电路搭建响应快，驱动电路不存在死区问题，延迟时间td1和td2属于ns级别。
2)快门动作时间可调。脉冲宽度tw1、tw2取决于RC电路的电阻和电容值，根据可重触发单稳态触发器的暂稳态脉冲宽度tw(ns)计算公式(Cext>1000pF时)：
公式中RT(KΩ)、Cext(pF)是74LS123的REXT、CEXT引脚连接的电容和电阻值，脉冲宽度可以控制在ms级别。且本文的电阻采用电位器，根据不同口径快门参数需求，调整快门动作时间。
3)安全可靠。本发明根据电磁线圈的额定工作电流2A，选择跳闸电流为2A的自恢复保险丝，巧妙地利用了自恢复保险丝的最大动作时间500ms，限制电磁线圈最大通电时间。防止因驱动脉宽过大或其他电路故障导致机械快门电磁线圈长时间通电，引起电磁线圈长时间通电发热而烧毁情况的发生。同时，控制器内部电路与输入输出之间电路隔离，且信号传输都进行噪声滤波处理，保证了驱动电路工作的可靠性。
4)更低的功耗，驱动电路内部全部采用5V电压，功耗进一步降低。
5)适应不同电压的输入输出，对于输入信号为3.3V高电平方波信号，只需将74LS245替换74LCV245，无需对电路其他部分进行修改就可使用。对于输出由于存在光耦隔离，该电路可以驱动更高的电压电磁线圈，且不会对驱动电路造成影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种提高机械快门安全性的双稳态快门控制器，其特征在于，沿信号传输方向依次包括信号调理电路、边沿检测与控制脉冲产生电路、光耦隔离与驱动电路，其中，
所述信号调理电路包括下拉电阻R1、滤波电容以及数据缓冲器，所述下拉电阻R1和滤波电容用于保持输入信号电压稳定，所述数据缓冲器用于提高输入信号的驱动能力，同时用于将输入信号和边沿检测与控制脉冲产生电路进行隔离；
所述边沿检测与控制脉冲产生电路包括可重触发单稳态触发器及其外围的电阻和电容，在外加脉冲的作用下，利用可重触发单稳态触发器的暂稳态维持的时间保持快门的电磁线圈通电，暂稳态回到稳态时自动断开电磁线圈的电源；
所述光耦隔离与驱动电路包括光电耦合器、N沟道MOS管、自恢复保险丝，用于利用边沿检测与控制脉冲产生电路产生低电平脉冲方波信号控制光耦输出的开闭，进而通过控制N沟道MOS管的导通和断开控制快门电磁线圈的通断。
2.根据权利要求1所述的一种提高机械快门安全性的双稳态快门控制器，其特征在于，输入信号InputSignal+是一路控制CCD或CMOS曝光时间的数字信号，信号高电平持续的时间等于曝光时间。
3.根据权利要求1所述的一种提高机械快门安全性的双稳态快门控制器，其特征在于，所述数据缓冲器为74LS245或74LCV245，所述可重触发单稳态触发器为74LS123，所述光电耦合器为TL521。
4.根据权利要求2所述的一种提高机械快门安全性的双稳态快门控制器，其特征在于，当无高电平输入信号输入时，数据缓冲器的A1引脚接收的信号是由下拉电阻R1提供的低电平信号；当输入信号为高电平脉冲时，先经过滤波电容滤除噪声，然后数据缓冲器将输入信号转换成边沿检测与控制脉冲产生电路能够识别的输入信号并由其B1端输出，同时也将二者进行电路隔离。
5.根据权利要求4所述的一种提高机械快门安全性的双稳态快门控制器，其特征在于，可重触发单稳态触发器的1A引脚连接到地信号，2B引脚连接到控制器内部电压信号，引脚和引脚连接到控制器内部电压信号，数据缓冲器的B1引脚同时连接可重触发单稳态触发器74LS123的1B和2A引脚。
6.根据权利要求5所述的一种提高机械快门安全性的双稳态快门控制器，其特征在于，当数据缓冲器输出一个调理后的高电平方波信号时，可重触发单稳态触发器的1B引脚检测其上升沿，并且触发引脚输出一个暂态的低电平方波信号；可重触发单稳态触发的2A引脚通过检测其下降沿并且触发引脚输出一个暂稳态的低电平方波信号；当可重触发单稳态触发器的1A引脚和2B引脚无输入信号触发时，引脚和引脚保持控制器内部电压高电平状态；由于可重触发单稳态触发器的1A引脚和2B引脚分别检测上升和下降沿触发，所以引脚和引脚不能同时输出暂稳态的低电平方波信号。
7.根据权利要求6所述的一种提高机械快门安全性的双稳态快门控制器，其特征在于，光耦隔离与驱动电路用光耦将信号检测与控制脉冲产生电路和驱动电路隔离，光耦U3和光耦U4的发光二极管阴极分别和可重触发单稳态触发器的引脚和引脚相连接，光耦U3和光耦U4的发光二极管的阳极分别通过限流电阻R4和限流电阻R5连接到控制器内部电压。
8.根据权利要求7所述的一种提高机械快门安全性的双稳态快门控制器，其特征在于，当引脚或引脚为低电平时，光耦U3或光耦U4上的发光二极管发光，相应的感光二极管导通，N沟道MOS管Q1和N沟道MOS管Q2的栅极通过下拉电阻R7和下拉电阻R8接地同时还连接光耦U3或光耦U4的感光二极管的阴极，漏极接地，源极通过自恢复保险丝F1和自恢复保险丝F2连接到快门的两个电磁线圈的一端，两个电磁线圈分别控制机械快门的打开和关闭，快门的两个电磁线圈的另一端接电源；当光耦U3或光耦U4的感光二极管导通时，N沟道MOS管Q1或N沟道MOS管Q2导通，其中一个电磁线圈导通。
9.根据权利要求1所述的一种提高机械快门安全性的双稳态快门控制器，其特征在于，所述控制器的电路是由纯硬件电路搭建。
10.根据权利要求1所述的一种提高机械快门安全性的双稳态快门控制器，其特征在于，利用可重触发单稳态触发器产生的暂稳态脉冲实现机械快门双稳态，所述暂稳态是指，单稳态触发器从一个稳定状态翻转到一个暂稳态，在电路中延时环节的作用下，该暂稳态维持时间t后又回到原来的稳定状态。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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