0 引言

    爆炸過程中的沖擊波壓力測(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(cè)試范圍,，造成獲取的數(shù)據(jù)截幅,；或者過小而降低測(cè)試精度,。另外，如果測(cè)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(cè)量的可靠性,，文獻(xiàn)[3]通過在測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量可靠性越高,。由于傳感器是暴露在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(cè)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(cè)量中常用數(shù)字AGC實(shí)現(xiàn)離散增益控制,?？刂破髋袛嗄?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(cè)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(jiǎn)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(cè)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(cè)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(cè)量沖擊波信號(hào)。

2 多增益測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試節(jié)點(diǎn)可以從多組測(cè)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(cè)試中影響測(cè)試可靠性的主要因素是測(cè)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(cè)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(cè)試的影響,，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的測(cè)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(cè)試系統(tǒng)a、b,、c和本文所設(shè)計(jì)的多增益測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)點(diǎn)和爆心O的距離估算每個(gè)測(cè)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(cè)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(cè)點(diǎn)受到的影響越大,，因此測(cè)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(cè)試點(diǎn)處傳感器的量程選擇如表1所示,。

    所有裝置測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試系統(tǒng),，本文設(shè)計(jì)的多增益測(cè)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(cè)試系統(tǒng)存在的不足,，設(shè)計(jì)了用于動(dòng)爆環(huán)境下測(cè)量沖擊波超壓的多增益測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，本文設(shè)計(jì)的測(cè)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(cè)量沖擊波信號(hào)的上升前沿。本文設(shè)計(jì)的多增益測(cè)試系統(tǒng)為動(dòng)爆環(huán)境下沖擊波的準(zhǔn)確測(cè)量提供了可靠的方法,。

參考文獻(xiàn)

[1] 賴富文,，王文廉，張志杰.大當(dāng)量戰(zhàn)斗部爆炸沖擊波測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2009,，29(3)：133-138.

[2] 王文廉,，張晉文，趙晨陽,，等.爆炸場(chǎng)壓力測(cè)試多存少取技術(shù)研究[J].振動(dòng)與沖擊,，2014，33(24)：54-57.

[3] 田壯,，杜紅棉,，祖靜，等.戰(zhàn)斗部動(dòng)爆沖擊波存儲(chǔ)測(cè)試方法研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),，2013,，33(3)：66-69.

[4] 顏偉彬，趙斌.基于數(shù)字信號(hào)處理器的CCD自動(dòng)增益調(diào)整[J].傳感器技術(shù),，2004,，23(3)：74-80.

[5] 王占友，何琳,，崔立林,，等.一種快速自動(dòng)增益控制方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].艦船電子工程，2016,，36(7)：142-145.

[6] 王健,，任廣輝，楊水旺,，等.基于FPGA的快速自動(dòng)增益控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].通信與信息處理,，2006，25(12)：68-69.

[7] 李建昌,，門麗娟,，雍順寧.戰(zhàn)斗部室內(nèi)動(dòng)爆沖擊波超壓測(cè)試數(shù)據(jù)處理方法[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2014,，28(1)：44-48.

[8] 梁杰.沖擊波測(cè)試與光觸發(fā)設(shè)計(jì)[D].太原：中北大學(xué),，2014.

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(cè)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(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，山西 太原030051）