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估和性能評價的重要手段^[1]。研制試驗的成本很高，必須保證測試系統(tǒng)的可靠性^[2]。靜爆試驗中，試驗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)。由于靜爆試驗的爆心固定，測點處估計的超壓峰值與實際值接近，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)。然而動爆試驗中，壓力場分布不均、實際爆心與理想爆心位置會有偏差^[3]，估算的超壓峰值和實際值可能存在較大偏差。如果仍使用靜爆試驗中增益的設(shè)置方法，那么當(dāng)實際超壓峰值與估算值相差較大時，設(shè)置的增益倍數(shù)不能對傳感器的輸出進(jìn)行合適的放大。調(diào)理后的信號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)使用沖擊波信號作為觸發(fā)源，那么若調(diào)理后的信號太小，就可能無法觸發(fā)系統(tǒng)。為了增加動爆環(huán)境中測量的可靠性，文獻(xiàn)[3]通過在測試節(jié)點安裝多個不同量程的傳感器來解決上述問題。超壓值較大時，大量程的傳感器保證測量到完整的信號；超壓值較小時，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)量少時則會降低測量的可靠性。因此本文提出了對傳感器的輸出信號進(jìn)行多種增益放大的方法，用一個傳感器可靠地獲取動爆環(huán)境下的沖擊波信號。

1 沖擊波信號的多增益設(shè)計

    在信號動態(tài)范圍大的情況下，常需要自動增益控制(Automatic Gain Control，AGC)系統(tǒng)實現(xiàn)對輸入的自動增益控制^[4-6]，將輸入信號調(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的輸出信號中提取幅度信息自動調(diào)節(jié)VGA的增益，當(dāng)輸入VGA的信號幅度增大時，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，從而保證系統(tǒng)工作的動態(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點達(dá)到V₂，增益減小為A₂；沖擊波在b點衰減到V₁時增益又變?yōu)锳₁。這是在理想情況下的簡單分析，實際上，為盡可能保證U在V₁和V₂之間變化，系統(tǒng)的增益會多于兩種。沖擊波變化過程中，增益會有多次切換以將信號轉(zhuǎn)換到合適的范圍。VGA改變增益時存在增益切換時間和穩(wěn)定時間，這段時間內(nèi)的輸入輸出關(guān)系不確定，所采集的數(shù)據(jù)不可信。沖擊波前沿上升時間在1 μs~30 μs左右^[7]，輸入、輸出關(guān)系的短時間不確定就會對上升前沿的測量造成較大影響，因此不適合用AGC對沖擊波信號進(jìn)行調(diào)理。本文提出了多增益存儲單增益讀取的方案，在信號調(diào)理電路中并聯(lián)不同增益倍數(shù)的放大電路，對傳感器輸出的同時進(jìn)行不同增益倍數(shù)的放大，放大后的多路信號同時進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并存到存儲器中。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)讀取和處理的時間。該方法不需要切換增益就可實現(xiàn)信號的多增益倍數(shù)放大，能更加可靠地測量沖擊波信號。

2 多增益測試節(jié)點設(shè)計及實現(xiàn)

    根據(jù)前述方案設(shè)計了基于FPGA控制的多增益存儲單增益讀取的測試節(jié)點，如圖2所示。信號調(diào)理電路對傳感器輸出信號實現(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作為整個系統(tǒng)的控制器控制模擬開關(guān)、ADC、存儲器、USB接口的操作。為方便描述，把實現(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 沖擊波信號的調(diào)理

    傳感器的輸出信號有8V左右的直流偏置電壓，交流信號的動態(tài)范圍是-5 V～+5 V，現(xiàn)以其中一個增益支路說明信號的調(diào)理方法。信號調(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，所以需要對傳感器輸出的交流信號進(jìn)行偏置和放大（衰減）。R2和R6實現(xiàn)0.25倍的衰減并加上2.5 V的直流偏置，輸入到第一級運放的電壓范圍是1.25 V～3.75 V；第一級運放和R7、R8組成同相放大電路對輸入電壓再次進(jìn)行放大，改變R7、R8的電阻值可獲得不同的放大倍數(shù)，放大后的信號為：

式中，V_ac為傳感器輸出的交流電壓。

    第二級運放組成有源二階濾波器對放大后的信號濾波，上限截止頻率是200 kHz。

2.2 多增益信號的分時采集與存儲

    傳感器的輸出經(jīng)過調(diào)理電路后變成多路信號，每路信號是否完整、準(zhǔn)確不可預(yù)知，所以需要對多路信號都進(jìn)行轉(zhuǎn)換并存儲。根據(jù)沖擊波信號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)時間14 ns。存儲器選用MT48LC8M16A2-7E，存儲容量8 M×16 bit，最大工作時鐘頻率143 MHz，8 MS/s采樣速率下可以存儲持續(xù)時間大于1 s的信號。信號采集和存儲時，相關(guān)信號的時序如圖4所示。

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

    采集和存儲的時序如下：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上升沿對應(yīng)的信號值，同時后級電路對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為了采集多路信號，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和ADC連接起來，通路切換時間14 ns。通路切換和SHA的建立可以在下一個時鐘上升沿之前完成，保證了多路信號的正確采集。存儲器分為MEM₁～MEM₈共8個分區(qū)，每個分區(qū)由連續(xù)的存儲單元組成。A1～A8的轉(zhuǎn)換結(jié)果按時間順序分別存放到MEM₁～MEM₈中。分區(qū)存滿后，返回分區(qū)首地址循環(huán)存儲；系統(tǒng)觸發(fā)后，繼續(xù)存儲預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)長度后停止數(shù)據(jù)采集和存儲，等待讀取數(shù)據(jù)。

    為了在小信號的情況下實現(xiàn)可靠的內(nèi)觸發(fā)，用具有最大增益的信號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存儲的是不截幅的沖擊波信號，然后根據(jù)該分區(qū)數(shù)據(jù)的峰值估計其他分區(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)點可以從多組測量數(shù)據(jù)中自動選出最優(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，最優(yōu)數(shù)據(jù)選取流程如圖5所示。

3 實驗結(jié)果及分析

    動爆測試中影響測試可靠性的主要因素是測試節(jié)點處的超壓峰值和預(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。由于動爆實驗操作難度大、成本高，當(dāng)前不具備實驗條件，本文用靜爆實驗來模擬動爆環(huán)境對測試的影響，驗證所設(shè)計的測試系統(tǒng)的功能。用3套由操作人員在實驗前設(shè)置參數(shù)的測試系統(tǒng)a、b、c和本文所設(shè)計的多增益測試系統(tǒng)d、e、f做比較實驗，傳感器選用PCB公司的ICP傳感器。測點布設(shè)位置如圖6所示，a、d、b和e、c、f分別布置在測點1、2、3，與理想爆心O的距離分別是3 m、4 m、5 m。試驗時，人為地把炸藥放置在偏離O點的位置，O₁、O₂、O₃分別是3次試驗的實際爆心位置。

    實驗前根據(jù)炸藥當(dāng)量、測點和爆心O的距離估算每個測試節(jié)點的超壓峰值，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)驗公式^[8]，所有測試節(jié)點的觸發(fā)電平設(shè)置為2.6 V。實際動爆試驗中，爆炸源一般是配有精確導(dǎo)航裝置的導(dǎo)彈，爆心偏差不會太大，爆心位置變動時，離爆心越近的測點受到的影響越大，因此測點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，各個測試點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“--”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的增益是在實驗前根據(jù)估算的超壓峰值設(shè)置的，設(shè)置后不能自動改變，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次實驗中，爆心遠(yuǎn)離測試點，實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次實驗中，爆心靠近測試點，實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，相對具有固定單一增益的測試系統(tǒng)，本文設(shè)計的多增益測試系統(tǒng)可以獲取完整而且更加準(zhǔn)確的沖擊波信號。

4 結(jié)論

    本文根據(jù)動爆環(huán)境中沖擊波壓力信號的特點，分析了具有固定單一增益和自動增益控制的測試系統(tǒng)存在的不足，設(shè)計了用于動爆環(huán)境下測量沖擊波超壓的多增益測試系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)沖擊波信號的多增益采集存儲以及單增益數(shù)據(jù)的讀取，使得小信號信噪比高，大信號不截幅。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的上升前沿。本文設(shè)計的多增益測試系統(tǒng)為動爆環(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)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051；

2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原030051）