冲击波信号调理采集系统设计

刘红，薛茂盛，赵群

（1.长春理工大学　光电工程学院，长春　130022；2.长春理工大学　电子信息工程学院，长春　130022）



冲击波信号调理采集系统设计

刘红1，薛茂盛2，赵群1

（1.长春理工大学光电工程学院，长春130022；2.长春理工大学电子信息工程学院，长春130022）

摘要：为了分析冲击波的破坏性，设计了一个冲击波信号调理采集系统，阐明了系统的主要构架及其实现方法。通过软硬件相结合的方式，使得系统具有良好的自我适应性。在不同的使用环境下，能够完成对冲击波信号的精确采集。实验结果表明，系统稳定可靠，采集结果精确，性能符合设计要求。

关键词：信号调理；数据采集；冲击波

无论是枪炮发射、工程爆破，还是危险品爆炸，都会产生剧烈的冲击波。冲击波极易损坏设备、摧毁建筑，甚至对附近的生命安全构成威胁。当冲击波达到0.1个大气压时，就能导致门窗损坏和玻璃破碎，增至1个大气压时，就会造成房屋倒塌。

为了对冲击波的破坏性进行定量分析，本文设计了一个冲击波信号调理采集系统。考虑到要测量冲击波信号的先验特性以及系统的可拓展性，系统的具体参数要求如下：采样率为2MSa/s，量程为± 500mV、±200mV和±100mV三挡可调，精度优于1‰，激励为直流10V，激励带载能力40mA，且具有短路保护功能。

1　电路结构及其实现

冲击波信号调理电路的总体框图如图1所示。系统电路的主要构成有信号调理电路、桥路自平衡电路、激励电路和基准电压源电路等。信号调理电路改变信号幅值和滤除高频干扰，使信号即可以满足ADC的输入限制又能够保持着良好的精度。桥路自平衡电路可以有效地调整系统零点，保证系统具有较宽的动态测量范围和较高的测量精度［1］。冲击波传感器需要恒压激励，激励源的波动会影响测量结果的准确性，因此激励源的精度和稳定度都是非常重要的。基准电压源也是设计重点之一，如果基准源不干净，ADC的转化结果将会不精确。

1.1信号调理电路

冲击波传感器输出信号的幅值比较微弱，因此需要对传感器信号进行放大滤波。对于n级放大器相级联来说，其噪声系数可由Friis公式表示：

图1　系统总体框图

从公式（1）中发现放大电路的噪声主要依赖于第一级放大电路。因此尽量提高第一级放大电路的增益，减小其噪声系数，对整个放大电路的噪声性能将有很大的提升［2］。本设计中，应尽量提高IPGA第一级增益来优化系统信号链路的噪声性能。

测试现场存在着大量的干扰，它们通过传感器、线缆和接头等部件耦合到电路中，使采集到的数据出现失真。为了避免失真，滤波器在信号调理环节中是必不可少的。本设计采用4阶Butterworth滤波器，有利于频域信号分析。

放大滤波后的信号是单端信号，且其驱动能力不足以驱动起ADC，从而导致转化得到的结果与实际值有较大的偏差。本设计采用16位3MSa/s的PulSAR型模数转换器AD7621和一款全差分漏斗衰减放大器AD8475来实现对放大滤波后信号的精确转换。AD7621是平衡差分输入，采样率可由外部时钟调整。AD8475可提供精密的增益衰减、单端转差分以及输入过压保护等功能。利用它可以稳定地将电压衰减到AD7621输入允许范围的差分电压，并具有良好的精度。

1.2桥路自平衡电路

冲击波传感器采用的是Endevco的8510C-15，属于全桥压阻式传感器结构，全桥结构有助于提高输出灵敏度。但桥式结构通常需要自平衡电路来调整系统零点，使系统具有较宽的动态范围和较高的测量精度。桥路自平衡电路功能框图如图2所示。

图2　桥路自平衡电路功能框图

当切换输入量程或桥路失衡时，通过信号切换电路将信号调理电路输入端切换到校准零点电压输入，控制反馈回路Vbias输出为0，经过信号调理，ADC采集到对应的零点偏移电压Voffset。实际采集时，根据当前设定的量程，由FPGA控制DAC输出-Voffset/ A的电压信号（A为调理电路的电压增益），反馈到信号调理电路中IPGA的零偏电压反馈端，以此实现对电桥零点偏移的平衡调节功能。

1.3激励电路

激励基准电压输入的稳定度和精度与整个激励源的性能息息相关，采用高稳定度的基准电压芯片固然可提高激励源的性能，但由于芯片输出电压不可调节，这就要求整个激励源电路所采用的器件都必须精密匹配、温漂小，很难满足系统的设计要求。而采用精密DAC作为基准电压输入可使激励源兼具高稳定度和可调节特性，通过闭环校准补偿可使激励源具有良好的温度和精度特性。本设计中，激励电路功能框图如图3所示。

图3　激励电路功能框图

图4　基准电压源电路功能框图

正相缓冲器和反相缓冲器降低了系统对激励基准电压输入的驱动能力要求。当激励基准电压输入为+5V时，该电路能提供±5V的电压激励。缓冲器主要由运算放大器构成，输出电流很小，不能满足冲击波传感器激励电流的要求。因此在缓冲器之后，接入扩流电路，并通过采样电阻检测激励电流，来控制扩流电路的启用与否，实现激励电路的输出短路保护。

1.4基准电压源电路

基准电压源电路是SAR型ADC应用电路的设计重点，如果基准不精确、干净和稳定，转化结果将不精确［3］。SAR型ADC内部是电容网络结构，在采样过程中输入引脚要对内部的采样电容充电。而转化过程中基准源引脚要对转化电容网络充电。因此，SAR型ADC的采样保持和量化过程，都是对内部电容的充电过程。每个转化时钟周期，ADC都要从基准源上抽取电荷，并且要求恢复时间极短。本设计中，基准电压源电路功能框图如图4所示。

高精度基准芯片为系统的精度提供了强有力的保障。多数情况下，我们会关注基准源的初始精度，但这个精度是可以通过软件或硬件调整的，而实际基准源的稳定和干净程度是软件无法调整的，需要硬件调整才能得以保证。带宽限制有助于滤除基准芯片输出带宽外的噪声，以此来优化基准源的噪声性能。驱动电容是ADC转换过程电荷的主要来源，适当的驱动电容能减小基准引脚在转换过程中的微小压降。阻抗变换和扩流电路的选择很有讲究，因为它不只是增大基准源的驱动电流，它更重要的使命是快速地给驱动电容充电。当驱动电容的电荷被ADC抽走时，势必造成电容电压的微小下降。这就会引起阻抗变换反馈系统的响应，迫使电容两端电压回到原来的值。如果使得基准源波动程度优于0.5LSB，ADC得转换精度将可达到最高，其性能只由ADC芯片特性所决定。

2　系统软件设计

FPGA是系统的核心控制器，它负责对调理模块的控制、采集数据的校准补偿、采集数据的存储控制、参数的解析与管理、与上位机的通讯以及数据传输控制等。

FPGA内核模块是程序的控制核心，它负责着程序所有任务的调度和控制管理，同时控制着调理模块与上位机进行通讯。系统利用SDRAM作为乒乓FIFO缓冲，降低程序存储和抽点时的负荷。上位机下发命令时，内核模块收到命令后进行解析并执行相应的操作。采集过程中，内核模块将采集到的数据进行数字滤波和校准补偿后存储到NAND FLASH中，与此同时，FPGA对每1024点的数据做FFT运算，利用其频谱信息计算出每1024点信号的有用最大频率，而由采样定律可知采样频率只要大于2倍的有用信号带宽，即可用采样点来完全表示原始有用信号。因此可利用有效最大频率值来调整实时抽样率，使得系统实时传输过程中既保持波形的真实度，又能减少系统传输点数，降低了系统通信速率的要求。在采集完成后，如果需要对数据进行处理，可以下发命令通知内核模块读出NAND FLASH中的数据，并上传到上位机中。

3　系统测试结果

系统所采用Endevco的8510C-15量程范围为0～103.4kPa，标定灵敏度为2.180mV/kPa，激励电压为全桥10VDC。在室温环境下，为测试系统精度，采用浮球式压力计作为冲击波传感器的压力源，测得在不同压力下所对应的系统多次信号平均测量值如表1所示。

传感器8510C-15的输入阻抗为1700Ω～2600Ω，可计算得知激励源输出电流范围为3.85～5.88mA。利用不同阻值的功率电阻，来代替传感器对激励源进行测试，测得系统在0～40mA负载电流条件下激励电压波动小于5‰，继续减小负载电阻，当激励电流达到46mA左右时，激励源输出电压迅速减小到0，实现了激励源的输出短路保护功能。

4　结论

本文阐明了冲击波信号调理采集系统的主要构架，通过模块化软硬件相结合，完成系统功能的设计。经过多次实验室测试和现场试验，测试结果表明本冲击波信号调理采集系统满足设计要求，具有精度高、稳定性强、灵敏度高、抗干扰能力较强等优点。系统具有很强的可扩展性和可重构性，可以在少量改动甚至无需改动的情况下推广到其他的传感器信号调理采集系统中，适合其他类型传感器的测试测量，如振动、位移、速度等物理量的测量，具有很好的应用前景。

参考文献

［1］黄正平，爆炸与冲击波电测级数［M］.北京：国防工业出版社，2006.

［2］Gustavo Castro，Scott Hunt.如何在对电桥传感器进行电路设计时避免陷入困境［EB/OL］.http：//www. eechina.com/thread-128234-1-1.html，2014-03-28.

［3］Walt Kester.ADC噪声系数——个经常被误解的参数［EB/OL］.http：//www.analog.com/media/cn/training-seminars/tutorials/MT-006_cn.pdf，2009.

［4］Oljaca M，Klein W. Converter voltage reference performance improvement secrets［J］.Instrumentation & Measurement Magazine，IEEE，2009，12（5）：21-27.

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

中图分类号：TP274.2

文献标识码：A

文章编号：1672-9870（2016）02-0022-03

收稿日期：2015-09-28

基金项目：吉林省科技发展计划项目（22215042，22210083）

作者简介：刘红（1969-），女，副教授，E-mail：24446380@qq.com