沖擊波信號(hào)調(diào)理采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉紅，薛茂盛，趙群

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)　光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春　130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)　電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春　130022）

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沖擊波信號(hào)調(diào)理采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉紅1，薛茂盛2，趙群1

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

摘要：為了分析沖擊波的破壞性，設(shè)計(jì)了一個(gè)沖擊波信號(hào)調(diào)理采集系統(tǒng)，闡明了系統(tǒng)的主要構(gòu)架及其實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)軟硬件相結(jié)合的方式，使得系統(tǒng)具有良好的自我適應(yīng)性。在不同的使用環(huán)境下，能夠完成對(duì)沖擊波信號(hào)的精確采集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，采集結(jié)果精確，性能符合設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：信號(hào)調(diào)理；數(shù)據(jù)采集；沖擊波

無(wú)論是槍炮發(fā)射、工程爆破，還是危險(xiǎn)品爆炸，都會(huì)產(chǎn)生劇烈的沖擊波。沖擊波極易損壞設(shè)備、摧毀建筑，甚至對(duì)附近的生命安全構(gòu)成威脅。當(dāng)沖擊波達(dá)到0.1個(gè)大氣壓時(shí)，就能導(dǎo)致門窗損壞和玻璃破碎，增至1個(gè)大氣壓時(shí)，就會(huì)造成房屋倒塌。

為了對(duì)沖擊波的破壞性進(jìn)行定量分析，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)沖擊波信號(hào)調(diào)理采集系統(tǒng)?？紤]到要測(cè)量沖擊波信號(hào)的先驗(yàn)特性以及系統(tǒng)的可拓展性，系統(tǒng)的具體參數(shù)要求如下：采樣率為2MSa/s，量程為± 500mV、±200mV和±100mV三擋可調(diào)，精度優(yōu)于1‰，激勵(lì)為直流10V，激勵(lì)帶載能力40mA，且具有短路保護(hù)功能。

1　電路結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)

沖擊波信號(hào)調(diào)理電路的總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)電路的主要構(gòu)成有信號(hào)調(diào)理電路、橋路自平衡電路、激勵(lì)電路和基準(zhǔn)電壓源電路等。信號(hào)調(diào)理電路改變信號(hào)幅值和濾除高頻干擾，使信號(hào)即可以滿足ADC的輸入限制又能夠保持著良好的精度。橋路自平衡電路可以有效地調(diào)整系統(tǒng)零點(diǎn)，保證系統(tǒng)具有較寬的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍和較高的測(cè)量精度［1］。沖擊波傳感器需要恒壓激勵(lì)，激勵(lì)源的波動(dòng)會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此激勵(lì)源的精度和穩(wěn)定度都是非常重要的。基準(zhǔn)電壓源也是設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一，如果基準(zhǔn)源不干凈，ADC的轉(zhuǎn)化結(jié)果將會(huì)不精確。

1.1信號(hào)調(diào)理電路

沖擊波傳感器輸出信號(hào)的幅值比較微弱，因此需要對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行放大濾波。對(duì)于n級(jí)放大器相級(jí)聯(lián)來(lái)說(shuō)，其噪聲系數(shù)可由Friis公式表示：

圖1　系統(tǒng)總體框圖

從公式（1）中發(fā)現(xiàn)放大電路的噪聲主要依賴于第一級(jí)放大電路。因此盡量提高第一級(jí)放大電路的增益，減小其噪聲系數(shù)，對(duì)整個(gè)放大電路的噪聲性能將有很大的提升［2］。本設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量提高IPGA第一級(jí)增益來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)信號(hào)鏈路的噪聲性能。

測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)存在著大量的干擾，它們通過(guò)傳感器、線纜和接頭等部件耦合到電路中，使采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)失真。為了避免失真，濾波器在信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)中是必不可少的。本設(shè)計(jì)采用4階Butterworth濾波器，有利于頻域信號(hào)分析。

放大濾波后的信號(hào)是單端信號(hào)，且其驅(qū)動(dòng)能力不足以驅(qū)動(dòng)起ADC，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化得到的結(jié)果與實(shí)際值有較大的偏差。本設(shè)計(jì)采用16位3MSa/s的PulSAR型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7621和一款全差分漏斗衰減放大器AD8475來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)放大濾波后信號(hào)的精確轉(zhuǎn)換。AD7621是平衡差分輸入，采樣率可由外部時(shí)鐘調(diào)整。AD8475可提供精密的增益衰減、單端轉(zhuǎn)差分以及輸入過(guò)壓保護(hù)等功能。利用它可以穩(wěn)定地將電壓衰減到AD7621輸入允許范圍的差分電壓，并具有良好的精度。

1.2橋路自平衡電路

沖擊波傳感器采用的是Endevco的8510C-15，屬于全橋壓阻式傳感器結(jié)構(gòu)，全橋結(jié)構(gòu)有助于提高輸出靈敏度。但橋式結(jié)構(gòu)通常需要自平衡電路來(lái)調(diào)整系統(tǒng)零點(diǎn)，使系統(tǒng)具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍和較高的測(cè)量精度。橋路自平衡電路功能框圖如圖2所示。

圖2　橋路自平衡電路功能框圖

當(dāng)切換輸入量程或橋路失衡時(shí)，通過(guò)信號(hào)切換電路將信號(hào)調(diào)理電路輸入端切換到校準(zhǔn)零點(diǎn)電壓輸入，控制反饋回路Vbias輸出為0，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理，ADC采集到對(duì)應(yīng)的零點(diǎn)偏移電壓Voffset。實(shí)際采集時(shí)，根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的量程，由FPGA控制DAC輸出-Voffset/ A的電壓信號(hào)（A為調(diào)理電路的電壓增益），反饋到信號(hào)調(diào)理電路中IPGA的零偏電壓反饋端，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)電橋零點(diǎn)偏移的平衡調(diào)節(jié)功能。

1.3激勵(lì)電路

激勵(lì)基準(zhǔn)電壓輸入的穩(wěn)定度和精度與整個(gè)激勵(lì)源的性能息息相關(guān)，采用高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)電壓芯片固然可提高激勵(lì)源的性能，但由于芯片輸出電壓不可調(diào)節(jié)，這就要求整個(gè)激勵(lì)源電路所采用的器件都必須精密匹配、溫漂小，很難滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。而采用精密DAC作為基準(zhǔn)電壓輸入可使激勵(lì)源兼具高穩(wěn)定度和可調(diào)節(jié)特性，通過(guò)閉環(huán)校準(zhǔn)補(bǔ)償可使激勵(lì)源具有良好的溫度和精度特性。本設(shè)計(jì)中，激勵(lì)電路功能框圖如圖3所示。

圖3　激勵(lì)電路功能框圖

圖4　基準(zhǔn)電壓源電路功能框圖

正相緩沖器和反相緩沖器降低了系統(tǒng)對(duì)激勵(lì)基準(zhǔn)電壓輸入的驅(qū)動(dòng)能力要求。當(dāng)激勵(lì)基準(zhǔn)電壓輸入為+5V時(shí)，該電路能提供±5V的電壓激勵(lì)。緩沖器主要由運(yùn)算放大器構(gòu)成，輸出電流很小，不能滿足沖擊波傳感器激勵(lì)電流的要求。因此在緩沖器之后，接入擴(kuò)流電路，并通過(guò)采樣電阻檢測(cè)激勵(lì)電流，來(lái)控制擴(kuò)流電路的啟用與否，實(shí)現(xiàn)激勵(lì)電路的輸出短路保護(hù)。

1.4基準(zhǔn)電壓源電路

基準(zhǔn)電壓源電路是SAR型ADC應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，如果基準(zhǔn)不精確、干凈和穩(wěn)定，轉(zhuǎn)化結(jié)果將不精確［3］。SAR型ADC內(nèi)部是電容網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在采樣過(guò)程中輸入引腳要對(duì)內(nèi)部的采樣電容充電。而轉(zhuǎn)化過(guò)程中基準(zhǔn)源引腳要對(duì)轉(zhuǎn)化電容網(wǎng)絡(luò)充電。因此，SAR型ADC的采樣保持和量化過(guò)程，都是對(duì)內(nèi)部電容的充電過(guò)程。每個(gè)轉(zhuǎn)化時(shí)鐘周期，ADC都要從基準(zhǔn)源上抽取電荷，并且要求恢復(fù)時(shí)間極短。本設(shè)計(jì)中，基準(zhǔn)電壓源電路功能框圖如圖4所示。

高精度基準(zhǔn)芯片為系統(tǒng)的精度提供了強(qiáng)有力的保障。多數(shù)情況下，我們會(huì)關(guān)注基準(zhǔn)源的初始精度，但這個(gè)精度是可以通過(guò)軟件或硬件調(diào)整的，而實(shí)際基準(zhǔn)源的穩(wěn)定和干凈程度是軟件無(wú)法調(diào)整的，需要硬件調(diào)整才能得以保證。帶寬限制有助于濾除基準(zhǔn)芯片輸出帶寬外的噪聲，以此來(lái)優(yōu)化基準(zhǔn)源的噪聲性能。驅(qū)動(dòng)電容是ADC轉(zhuǎn)換過(guò)程電荷的主要來(lái)源，適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電容能減小基準(zhǔn)引腳在轉(zhuǎn)換過(guò)程中的微小壓降。阻抗變換和擴(kuò)流電路的選擇很有講究，因?yàn)樗恢皇窃龃蠡鶞?zhǔn)源的驅(qū)動(dòng)電流，它更重要的使命是快速地給驅(qū)動(dòng)電容充電。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電容的電荷被ADC抽走時(shí)，勢(shì)必造成電容電壓的微小下降。這就會(huì)引起阻抗變換反饋系統(tǒng)的響應(yīng)，迫使電容兩端電壓回到原來(lái)的值。如果使得基準(zhǔn)源波動(dòng)程度優(yōu)于0.5LSB，ADC得轉(zhuǎn)換精度將可達(dá)到最高，其性能只由ADC芯片特性所決定。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

FPGA是系統(tǒng)的核心控制器，它負(fù)責(zé)對(duì)調(diào)理模塊的控制、采集數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)補(bǔ)償、采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)控制、參數(shù)的解析與管理、與上位機(jī)的通訊以及數(shù)據(jù)傳輸控制等。

FPGA內(nèi)核模塊是程序的控制核心，它負(fù)責(zé)著程序所有任務(wù)的調(diào)度和控制管理，同時(shí)控制著調(diào)理模塊與上位機(jī)進(jìn)行通訊。系統(tǒng)利用SDRAM作為乒乓FIFO緩沖，降低程序存儲(chǔ)和抽點(diǎn)時(shí)的負(fù)荷。上位機(jī)下發(fā)命令時(shí)，內(nèi)核模塊收到命令后進(jìn)行解析并執(zhí)行相應(yīng)的操作。采集過(guò)程中，內(nèi)核模塊將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波和校準(zhǔn)補(bǔ)償后存儲(chǔ)到NAND FLASH中，與此同時(shí)，F(xiàn)PGA對(duì)每1024點(diǎn)的數(shù)據(jù)做FFT運(yùn)算，利用其頻譜信息計(jì)算出每1024點(diǎn)信號(hào)的有用最大頻率，而由采樣定律可知采樣頻率只要大于2倍的有用信號(hào)帶寬，即可用采樣點(diǎn)來(lái)完全表示原始有用信號(hào)。因此可利用有效最大頻率值來(lái)調(diào)整實(shí)時(shí)抽樣率，使得系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸過(guò)程中既保持波形的真實(shí)度，又能減少系統(tǒng)傳輸點(diǎn)數(shù)，降低了系統(tǒng)通信速率的要求。在采集完成后，如果需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以下發(fā)命令通知內(nèi)核模塊讀出NAND FLASH中的數(shù)據(jù)，并上傳到上位機(jī)中。

3　系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)所采用Endevco的8510C-15量程范圍為0～103.4kPa，標(biāo)定靈敏度為2.180mV/kPa，激勵(lì)電壓為全橋10VDC。在室溫環(huán)境下，為測(cè)試系統(tǒng)精度，采用浮球式壓力計(jì)作為沖擊波傳感器的壓力源，測(cè)得在不同壓力下所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)多次信號(hào)平均測(cè)量值如表1所示。

傳感器8510C-15的輸入阻抗為1700Ω～2600Ω，可計(jì)算得知激勵(lì)源輸出電流范圍為3.85～5.88mA。利用不同阻值的功率電阻，來(lái)代替?zhèn)鞲衅鲗?duì)激勵(lì)源進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得系統(tǒng)在0～40mA負(fù)載電流條件下激勵(lì)電壓波動(dòng)小于5‰，繼續(xù)減小負(fù)載電阻，當(dāng)激勵(lì)電流達(dá)到46mA左右時(shí)，激勵(lì)源輸出電壓迅速減小到0，實(shí)現(xiàn)了激勵(lì)源的輸出短路保護(hù)功能。

4　結(jié)論

本文闡明了沖擊波信號(hào)調(diào)理采集系統(tǒng)的主要構(gòu)架，通過(guò)模塊化軟硬件相結(jié)合，完成系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明本沖擊波信號(hào)調(diào)理采集系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，具有精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、靈敏度高、抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性和可重構(gòu)性，可以在少量改動(dòng)甚至無(wú)需改動(dòng)的情況下推廣到其他的傳感器信號(hào)調(diào)理采集系統(tǒng)中，適合其他類型傳感器的測(cè)試測(cè)量，如振動(dòng)、位移、速度等物理量的測(cè)量，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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Design of a Shock-wave Signal Acquisition System

LIU Hong1，XUE Maosheng2，ZHAO Qun1
（1.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Abstract：In order to analyze the damage of the shock wave，a shock wave signal conditioning and acquisition system has been designed in this paper，and the main framework and the realization method of the system have also been described. Through a combination of software and hardware，the system has good adaptability which can measure the shock-wave signal accurately in different environment. Experiments have suggested that the design of the system is stable and reliable，and the performance meets the design requirements.

Key words：signal conditioning；data acquisition；shock-wave

中圖分類號(hào)：TP274.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-9870（2016）02-0022-03

收稿日期：2015-09-28

基金項(xiàng)目：吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（22215042，22210083）

作者簡(jiǎn)介：劉紅（1969-），女，副教授，E-mail：24446380@qq.com