火灾探测小信号幅频特性测试装置设计

沈晓波，束仁义，夏健钧，刘　乐，张　豪

火灾探测器是将火灾的温度、烟雾、气体、声音和光强等特征物理、化学量转换成电信号，向火灾报警控制器发送报警信号的设备，是整个消防报警系统的“感觉器官”，其探测信号的精度直接影响报警系统的可靠性和有效性［1］.随着时代发展和应用领域的不断扩大，需求不断提高，普通类型的感温、感烟火灾探测报警系统已不能满足需要，探测器向高新技术化、智能化、网络化方向发展是一个必然.如何能够在火灾发生前期探测到微小信号变化，由报警向预警转变，一直是火灾探测器主要研究方向之一，为此本文设计了一套能够近距离和远距离测试小信号幅频特性的装置，为火灾预警设备感知火灾前期小信号提供解决方法，为方便研究本文的小信号由信号源代替，模拟火灾发生从无到有，从弱到强的信号变化过程.

1　系统设计

本装置主要由信号源、电压跟随器、滤波器、放大器、检波器、幅频特性显示模块、WiFi转换电路、路由器、上位机软件等组成，实现了近程和远程幅频特性检测与显示，系统框图如图1所示.［2-3］

图1　系统框图

2　系统硬件设计

2.1　模拟信号源设计

采用AD公司数字化DDS芯片AD9854，其内含专用四通道，其功能相当于NCO与多路高速DAC组合，可以通过简单的串行总线进行外部控制，其次可以实现扫频波发生，操作简单，频率精度与范围都可以达到火灾小信号模拟要求，而且输出稳定.［4-5］

2.2　电压跟随器设计

信号源在负载为50欧姆时，输出较稳定，当负载为600欧姆时，输出稳定性较差，因此设计了电压跟随器与信号源进行相应的阻抗匹配，使输出保持相对稳定，使用TI公司的电流反馈运算放大器THS3201，压摆率高达6700，高带宽，低失真，输出波形稳定，失真小，具体电路如图2.

图2　电压跟随器电路

2.3　低通滤波器设计

采用LC型5阶巴特沃斯滤波器无源滤波器进行滤波.手动设计调整参数使带宽达到40MHz，具体电路如图3.

图3　滤波器电路

2.4　放大器设计

本次设计采用两级连接使放大器带宽为1～40MHz，并且在0～40dB可调，前级设定为固定增益放大器，后级为程控增益放大器.固定增益放大器使用增益带宽积较高，噪声极低的运放OPA847，根据芯片手册可知，OPA847增益大于10倍小于12倍时具有大于200M带宽，而且在其通频带内非常平坦，本文选取10倍增益，具体电路如图4；程控增益放大器使用高增益的可变放大器VCA821.根据芯片手册可知，VCA821在小增益下具有720M带宽，并且可从-20dB到20dB共40dB可调范围，控制电压为0～2V，同时符合由单片机DA输出电压控制，具体电路如图5.

图4　前级固定增益放大电路

图5　程控增益放大电路

2.5　检波器设计

采用集成有效值转换器AD8367.AD8367由有源整流器、平方/除法器、滤波放大器、缓冲器、偏置电路组成，能够检测任何波形有效值而不必考虑失真度优势，而且带宽远大于40M，具有测量准确、响应速度快等优点，具体电路如图6.

图6　检波器电路

2.6　双绞线干扰分析

远距离有线传输过程中对有信号干扰性，并且对信号有衰减，为了保证信号在传输过程中相对稳定，采用外加屏蔽线抗干扰的双绞线，减少对信号的衰减；双绞线通信过程中弯曲缠绕对信号衰减最大，所以在通信时将双绞线保持拉直拉顺，便于信号传输.

2.7　无线WiFi通信设计

远距离无线通信中，为了减少系统的复杂性与通信的干扰性，采用WiFi转换电路ESP8266实现本装置的无线通信，该电路在无线通信过程中信号较强且稳定，与路由器通信时保证信号不失真传输.

3　系统软件设计

本系统软件分为主控程序和PC上位机程序2个部分，主控程序在RVMDK开发环境下由C语言编写，PC上位机在MATLAB2014环境下开发.主控程序完成近程检测和远程有线检测显示，PC上位机通过读取WiFi模块发送过来的串行数据完成远程无线检测显示，整体系统工作流程如图7.

图7　系统工作流程图

其中系统初始化包含ADC、DAC、ESP8266、GPIO、KEY、LED、USART、SYSTick等子函数，out1为近程显示，out2为远程有线检测显示，out3为远程无线通信检测显示.

4　测试条件及测试结果

4.1　测试条件

（1）测试环境：室内封闭环境.［6-7］

（2）测试仪器：信号发生器SDG5162，示波器SDS1302CFL，数字万用表SDM3055.

4.2　测试结果

（1）幅度测试：初始测试频率设置为1MHz，之后间隔5MHz设置，检测相应输出幅度，部分结果如表1.

（2）频率测试：设置每隔5mV电压，检测相应输出频率，部分结果如表2所示.

表1　幅度测试

表2　频率测试

（3）幅频特性测试：根据幅度随频率不同变化测出相应幅频特性，近程通信测试曲线如图8所示，远程上位机测试曲线如图9所示.

图8　有线幅频特性曲线图

图9　无线幅频特性曲线图

5　结论

根据以上测试结果可知，近程与远程装置幅频特性测试曲线显示基本一致，信号在远程传输时，部分衰减，因本系统放大器增益可控，通过提高放大器增益来补偿传输过程中的衰减，可正确输出显示对应的幅频特性曲线，失真度较小.本系统经过多次测试，功能稳定，能够检测到微小信号的幅度、频率变化，提高了火灾探测小信号精度，为网络式火灾智能预警设备研制提供了技术支持.

参考文献：

［1］赵海军，王洋.一种基于多维标度的分布式传感器定位算法［J］.吉林师范大学学报，2016（3）.

［2］刘大燕.一种适用于低频小信号检测的放大电路设计［J］.杭州电子科技大学学报，2014（6）：746-749.

［3］严刚峰.一种小信号放大电路设计［J］.成都大学学报（自然科学版），2015，34（4）：378-380.

［4］徐玲，邓震宇.基于FPGA的程控滤波器的设计［J］.电子设计工程，2011，19（11）：184-187.

［5］赵博，黄飞.放大电路幅频特性测试系统设计［J］.实验技术与管理，2015，228（9）：59-63.

［6］甄国涌，储俊.一种小信号放大测量电路的设计［J］.电测与仪表，2015，52（4）：96-100.

［7］李江坤.高频小信号频率计的设计［J］.山西电子技术，2016（2）：26-27.