0 引言

    爆炸過程中的沖擊波壓力測試是武器研制過程中威力評(píng)估和性能評(píng)價(jià)的重要手段^[1]。研制試驗(yàn)的成本很高，必須保證測試系統(tǒng)的可靠性^[2]。靜爆試驗(yàn)中，試驗(yàn)前操作人員估算沖擊波超壓峰值，選取合適量程的傳感器，設(shè)置增益倍數(shù)、觸發(fā)電平等參數(shù)。由于靜爆試驗(yàn)的爆心固定，測點(diǎn)處估計(jì)的超壓峰值與實(shí)際值接近，預(yù)先設(shè)置的增益和觸發(fā)電平可以保證獲取不截幅且精度較高的數(shù)據(jù)。然而動(dòng)爆試驗(yàn)中，壓力場分布不均、實(shí)際爆心與理想爆心位置會(huì)有偏差^[3]，估算的超壓峰值和實(shí)際值可能存在較大偏差。如果仍使用靜爆試驗(yàn)中增益的設(shè)置方法，那么當(dāng)實(shí)際超壓峰值與估算值相差較大時(shí)，設(shè)置的增益倍數(shù)不能對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行合適的放大。調(diào)理后的信號(hào)值可能過大而超出測試范圍，造成獲取的數(shù)據(jù)截幅；或者過小而降低測試精度。另外，如果測試系統(tǒng)使用沖擊波信號(hào)作為觸發(fā)源，那么若調(diào)理后的信號(hào)太小，就可能無法觸發(fā)系統(tǒng)。為了增加動(dòng)爆環(huán)境中測量的可靠性，文獻(xiàn)[3]通過在測試節(jié)點(diǎn)安裝多個(gè)不同量程的傳感器來解決上述問題。超壓值較大時(shí)，大量程的傳感器保證測量到完整的信號(hào)；超壓值較小時(shí)，小量程的傳感器保證測量有較高的捕獲率和精度。該方法所用的傳感器數(shù)量越多，測量可靠性越高。由于傳感器是暴露在測試現(xiàn)場的，較多數(shù)量的傳感器在提高可靠性的同時(shí)也增加了現(xiàn)場操作的復(fù)雜性和傳感器被損壞的概率；傳感器數(shù)量少時(shí)則會(huì)降低測量的可靠性。因此本文提出了對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行多種增益放大的方法，用一個(gè)傳感器可靠地獲取動(dòng)爆環(huán)境下的沖擊波信號(hào)。

1 沖擊波信號(hào)的多增益設(shè)計(jì)

    在信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大的情況下，常需要自動(dòng)增益控制(Automatic Gain Control，AGC)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的自動(dòng)增益控制^[4-6]，將輸入信號(hào)調(diào)理到指定范圍內(nèi)。AGC系統(tǒng)由VGA(Variable Gain Amplifier)和反饋回路兩部分組成，反饋回路的功能是從VGA的輸出信號(hào)中提取幅度信息自動(dòng)調(diào)節(jié)VGA的增益，當(dāng)輸入VGA的信號(hào)幅度增大時(shí)，通過反饋回路控制其增益減小，反之亦然。這樣就使得輸入信號(hào)不論強(qiáng)弱，經(jīng)過AGC放大后都能得到電平基本恒定的輸出信號(hào)，從而保證系統(tǒng)工作的動(dòng)態(tài)范圍。AGC廣泛應(yīng)用于超聲波、雷達(dá)、無線通信、語音分析等系統(tǒng)中。AGC分為模擬AGC和數(shù)字AGC，兩者的區(qū)別是數(shù)字AGC的反饋控制信號(hào)由數(shù)字部分產(chǎn)生。由于模擬AGC的增益連續(xù)變化，使輸入、輸出之間的關(guān)系復(fù)雜化，因此在測量中常用數(shù)字AGC實(shí)現(xiàn)離散增益控制。控制器判斷模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出和設(shè)定閾值的關(guān)系，大于閾值上限則減小VGA的增益，小于閾值下限則增大VGA的增益。數(shù)字AGC系統(tǒng)用于沖擊波測量時(shí)的控制過程如圖1所示。

    假設(shè)系統(tǒng)有兩種增益A₁和A₂，A₁>A₂，曲線1表示沖擊波超壓P，曲線2是VGA的輸出電壓U。沖擊波開始階段，U小于V₁，選擇較大的增益A₁；沖擊波到來瞬間，U迅速變大，在a點(diǎn)達(dá)到V₂，增益減小為A₂；沖擊波在b點(diǎn)衰減到V₁時(shí)增益又變?yōu)锳₁。這是在理想情況下的簡單分析，實(shí)際上，為盡可能保證U在V₁和V₂之間變化，系統(tǒng)的增益會(huì)多于兩種。沖擊波變化過程中，增益會(huì)有多次切換以將信號(hào)轉(zhuǎn)換到合適的范圍。VGA改變?cè)鲆鏁r(shí)存在增益切換時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)的輸入輸出關(guān)系不確定，所采集的數(shù)據(jù)不可信。沖擊波前沿上升時(shí)間在1 μs~30 μs左右^[7]，輸入、輸出關(guān)系的短時(shí)間不確定就會(huì)對(duì)上升前沿的測量造成較大影響，因此不適合用AGC對(duì)沖擊波信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。本文提出了多增益存儲(chǔ)單增益讀取的方案，在信號(hào)調(diào)理電路中并聯(lián)不同增益倍數(shù)的放大電路，對(duì)傳感器輸出的同時(shí)進(jìn)行不同增益倍數(shù)的放大，放大后的多路信號(hào)同時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并存到存儲(chǔ)器中。最后通過提取最優(yōu)增益數(shù)據(jù)的方法減少測量數(shù)據(jù)讀取和處理的時(shí)間。該方法不需要切換增益就可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的多增益倍數(shù)放大，能更加可靠地測量沖擊波信號(hào)。

2 多增益測試節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

    根據(jù)前述方案設(shè)計(jì)了基于FPGA控制的多增益存儲(chǔ)單增益讀取的測試節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。信號(hào)調(diào)理電路對(duì)傳感器輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)0.25、0.5、1、2、4、8、16、32共8種增益倍數(shù)的放大（或衰減），F(xiàn)PGA作為整個(gè)系統(tǒng)的控制器控制模擬開關(guān)、ADC、存儲(chǔ)器、USB接口的操作。為方便描述，把實(shí)現(xiàn)不同增益的放大電路稱為增益支路，支路名稱用A₁~A₈表示，增益倍數(shù)依次增大。

2.1 沖擊波信號(hào)的調(diào)理

    傳感器的輸出信號(hào)有8V左右的直流偏置電壓，交流信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍是-5 V～+5 V，現(xiàn)以其中一個(gè)增益支路說明信號(hào)的調(diào)理方法。信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。

    圖3中電源通過恒流二極管D1給傳感器提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流。隔直電容C2和C4濾除傳感器的直流輸出。由于后續(xù)ADC的輸入電壓范圍是1.25 V～3.75 V，所以需要對(duì)傳感器輸出的交流信號(hào)進(jìn)行偏置和放大（衰減）。R2和R6實(shí)現(xiàn)0.25倍的衰減并加上2.5 V的直流偏置，輸入到第一級(jí)運(yùn)放的電壓范圍是1.25 V～3.75 V；第一級(jí)運(yùn)放和R7、R8組成同相放大電路對(duì)輸入電壓再次進(jìn)行放大，改變R7、R8的電阻值可獲得不同的放大倍數(shù)，放大后的信號(hào)為：

式中，V_ac為傳感器輸出的交流電壓。

    第二級(jí)運(yùn)放組成有源二階濾波器對(duì)放大后的信號(hào)濾波，上限截止頻率是200 kHz。

2.2 多增益信號(hào)的分時(shí)采集與存儲(chǔ)

    傳感器的輸出經(jīng)過調(diào)理電路后變成多路信號(hào)，每路信號(hào)是否完整、準(zhǔn)確不可預(yù)知，所以需要對(duì)多路信號(hào)都進(jìn)行轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)。根據(jù)沖擊波信號(hào)的最高頻率和采樣定理，設(shè)定每路數(shù)據(jù)采樣速率為1 MS/s，總的采樣率是8 MS/s。ADC選用AD9220，分辨率12 bit，模擬開關(guān)選用ADG758，開關(guān)時(shí)間14 ns。存儲(chǔ)器選用MT48LC8M16A2-7E，存儲(chǔ)容量8 M×16 bit，最大工作時(shí)鐘頻率143 MHz，8 MS/s采樣速率下可以存儲(chǔ)持續(xù)時(shí)間大于1 s的信號(hào)。信號(hào)采集和存儲(chǔ)時(shí)，相關(guān)信號(hào)的時(shí)序如圖4所示。

    A1~A8是等待采集的8路信號(hào)，CLOCK是ADC的輸入時(shí)鐘，周期為125 ns，模擬開關(guān)通過位輸入信號(hào)MUX_ADDR選擇需要轉(zhuǎn)換的信號(hào)。DATA_OUT是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，由于A/D轉(zhuǎn)換器采用了四級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，所以每個(gè)時(shí)鐘上升沿采樣值的轉(zhuǎn)換結(jié)果會(huì)延遲3個(gè)時(shí)鐘周期輸出。

    采集和存儲(chǔ)的時(shí)序如下：CLOCK低電平期間，ADC的采樣保持放大器(Sample and Hold Amplifier，SHA)為采樣狀態(tài)“S”，SHA的建立時(shí)間是30 ns；在CLOCK的上升沿，SHA進(jìn)入保持狀態(tài)“H”，保持CLOCK上升沿對(duì)應(yīng)的信號(hào)值，同時(shí)后級(jí)電路對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為了采集多路信號(hào)，在SHA進(jìn)入保持狀態(tài)后，改變模擬開關(guān)的地址MUX_ADDR，將下一路需要采集的信號(hào)和ADC連接起來，通路切換時(shí)間14 ns。通路切換和SHA的建立可以在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿之前完成，保證了多路信號(hào)的正確采集。存儲(chǔ)器分為MEM₁～MEM₈共8個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)由連續(xù)的存儲(chǔ)單元組成。A1～A8的轉(zhuǎn)換結(jié)果按時(shí)間順序分別存放到MEM₁～MEM₈中。分區(qū)存滿后，返回分區(qū)首地址循環(huán)存儲(chǔ)；系統(tǒng)觸發(fā)后，繼續(xù)存儲(chǔ)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)長度后停止數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，等待讀取數(shù)據(jù)。

    為了在小信號(hào)的情況下實(shí)現(xiàn)可靠的內(nèi)觸發(fā)，用具有最大增益的信號(hào)A8作為系統(tǒng)的觸發(fā)源；為保證多組測量數(shù)據(jù)中至少有一組不截幅，最小增益支路A1的增益為0.25，可以把傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換到1.25 V~3.75 V的范圍內(nèi)。

2.3 最優(yōu)數(shù)據(jù)選取

    從獲取的多組具有不同增益的數(shù)據(jù)中選出代表沖擊波信號(hào)的最優(yōu)數(shù)據(jù)作為測量結(jié)果，可以減少數(shù)據(jù)的讀取和處理時(shí)間。FPGA首先判斷分區(qū)MEM₁的數(shù)據(jù)是否超過A/D滿量程，如果沒超過，表示MEM₁存儲(chǔ)的是不截幅的沖擊波信號(hào)，然后根據(jù)該分區(qū)數(shù)據(jù)的峰值估計(jì)其他分區(qū)的峰值，以峰值最接近且不超出A/D滿量程的分區(qū)作為最優(yōu)分區(qū)；如果MEM1的數(shù)據(jù)存在截幅現(xiàn)象，表示沖擊波信號(hào)已經(jīng)超出所選傳感器量程，那么把MEM₁作為最優(yōu)分區(qū)。選出最優(yōu)分區(qū)后，將最優(yōu)分區(qū)的數(shù)據(jù)讀出發(fā)送給上位機(jī)。利用上述方法，測試節(jié)點(diǎn)可以從多組測量數(shù)據(jù)中自動(dòng)選出最優(yōu)的一組數(shù)據(jù)，最優(yōu)數(shù)據(jù)能最好地反映沖擊波信號(hào)，最優(yōu)數(shù)據(jù)選取流程如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

    動(dòng)爆測試中影響測試可靠性的主要因素是測試節(jié)點(diǎn)處的超壓峰值和預(yù)期不同，造成所選擇的傳感器量程和電路增益不合適，導(dǎo)致不可靠的測量。由于動(dòng)爆實(shí)驗(yàn)操作難度大、成本高，當(dāng)前不具備實(shí)驗(yàn)條件，本文用靜爆實(shí)驗(yàn)來模擬動(dòng)爆環(huán)境對(duì)測試的影響，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)的功能。用3套由操作人員在實(shí)驗(yàn)前設(shè)置參數(shù)的測試系統(tǒng)a、b、c和本文所設(shè)計(jì)的多增益測試系統(tǒng)d、e、f做比較實(shí)驗(yàn)，傳感器選用PCB公司的ICP傳感器。測點(diǎn)布設(shè)位置如圖6所示，a、d、b和e、c、f分別布置在測點(diǎn)1、2、3，與理想爆心O的距離分別是3 m、4 m、5 m。試驗(yàn)時(shí)，人為地把炸藥放置在偏離O點(diǎn)的位置，O₁、O₂、O₃分別是3次試驗(yàn)的實(shí)際爆心位置。

    實(shí)驗(yàn)前根據(jù)炸藥當(dāng)量、測點(diǎn)和爆心O的距離估算每個(gè)測試節(jié)點(diǎn)的超壓峰值，分別設(shè)置a、b、c的增益為0.5、0.5、1，估算公式采用Henrych的經(jīng)驗(yàn)公式^[8]，所有測試節(jié)點(diǎn)的觸發(fā)電平設(shè)置為2.6 V。實(shí)際動(dòng)爆試驗(yàn)中，爆炸源一般是配有精確導(dǎo)航裝置的導(dǎo)彈，爆心偏差不會(huì)太大，爆心位置變動(dòng)時(shí)，離爆心越近的測點(diǎn)受到的影響越大，因此測點(diǎn)1的傳感器量程應(yīng)該留有較大余量。根據(jù)ICP傳感器的量程等級(jí)，各個(gè)測試點(diǎn)處傳感器的量程選擇如表1所示。

    所有裝置測量到的超壓峰值和獲取到的數(shù)據(jù)的增益如表2所示。符號(hào)“--”表示測量結(jié)果出現(xiàn)截幅，無法得到超壓峰值。

    表2中a、b、c的增益是在實(shí)驗(yàn)前根據(jù)估算的超壓峰值設(shè)置的，設(shè)置后不能自動(dòng)改變，d、e、f的增益是最終讀取到的數(shù)據(jù)所具有的增益。第1次實(shí)驗(yàn)中，爆心遠(yuǎn)離測試點(diǎn)，實(shí)際超壓峰值小于估算值，所有裝置都獲取到了超壓峰值，但d、e、f的數(shù)據(jù)增益不小于a、b、c的數(shù)據(jù)增益，表明d、e、f從多組測量數(shù)據(jù)中進(jìn)行了數(shù)據(jù)篩選，獲得了更加精確的數(shù)據(jù)；第2次和第3次實(shí)驗(yàn)中，爆心靠近測試點(diǎn)，實(shí)際超壓峰值大于估算值，a、b、c三套裝置存在無法獲取沖擊波超壓峰值的情況，而d、e、f通過選取小增益倍數(shù)的數(shù)據(jù)都獲得了超壓峰值。結(jié)果表明，相對(duì)具有固定單一增益的測試系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的多增益測試系統(tǒng)可以獲取完整而且更加準(zhǔn)確的沖擊波信號(hào)。

4 結(jié)論

    本文根據(jù)動(dòng)爆環(huán)境中沖擊波壓力信號(hào)的特點(diǎn)，分析了具有固定單一增益和自動(dòng)增益控制的測試系統(tǒng)存在的不足，設(shè)計(jì)了用于動(dòng)爆環(huán)境下測量沖擊波超壓的多增益測試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)沖擊波信號(hào)的多增益采集存儲(chǔ)以及單增益數(shù)據(jù)的讀取，使得小信號(hào)信噪比高，大信號(hào)不截幅。由于不存在增益切換過程，所以能夠更加準(zhǔn)確地測量沖擊波信號(hào)的上升前沿。本文設(shè)計(jì)的多增益測試系統(tǒng)為動(dòng)爆環(huán)境下沖擊波的準(zhǔn)確測量提供了可靠的方法。

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作者信息：

孟  博1，王文廉1，2

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051；

2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051）