火焰触发器用自适应信号处理电路设计

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(西安工业大学 光电工程学院，西安 710021)

0 引言

为评价武器系统总体性能，分析研究武器系统内、外弹道和终点弹道性能，在武器研制、生产与交验过程中需准确测量武器系统飞行姿态、运动轨迹和攻角等参数[1]。由于武器作用时间短，采用高速图像或数据采集设备需要快速可靠的外触发信号进行工作。传统外触发信号来源主要有断靶线、声传感器[2]、天幕靶[3]和火焰触发器[4]，其中断靶线放置在枪口处，需人工接线安全性差；天幕靶在工作时需要天空作为背景光源，仅能白天工作；声传感器容易受环境风的干扰，可靠性差；火焰触发器能够探测弹丸击发瞬间产生的火焰或空中爆炸时产生的火光，输出触发信号，实时性高，应用较为广泛。

现有火焰触发器无法根据外界光照环境自适应调整信号处理电路增益，动态范围有限，在不同天空照度下会出现信号饱和或无信号输出的问题。背景光较强时，火焰触发器探测灵敏度急剧下降，无法可靠探测炮口火光，为解决上述问题，设计一种前馈型AGC电路代替原固定增益电路，根据输入信号大小自动调整信号处理电路的增益，增加动态信号范围，扩大火焰触发器适用范围。

1 自适应信号处理电路工作原理

设计使用峰值检测、除法电路、乘法电路构成一种前馈型AGC电路[5]，相比于用压控增益芯片或者数控增益芯片实现的前馈式AGC电路，省去复杂算法设计问题，又具有前馈型AGC电路的各种优点，如具有快速的响应时间，信号检测和增益控制并行等优点[6-7]。

信号处理电路根据输入信号的幅值自动调整电路增益，具体实现方法：利用延时电路把原始信号延迟100 μs，该延时时间是依据控制信号产生时间确定，保证控制信号在原始信号到达乘法运算电路之前；峰值检测电路精确检测出输入信号峰值的大小，通过除法电路把参考电压和采集到的峰值信号相除从而计算出增益控制因子，在把延时之后的原始信号通过乘法电路和增益控制因子相乘，可以把输入信号放大到所设置的被除数电压(参考电压)附近，实现自动增益控制，确保输出信号的幅值始终保持在一定幅值范围内[8]。

根据弹丸击发时产生的火焰特性[9-11]，现有的火焰触发器用前级放大电路输出信号的幅值范围80～300 mV，频率在10 kHz以内的模拟信号，图1为整体自适应信号处理电路增益控制实现原理图。

图1 信号处理电路增益控制实现框图

将信号进行5倍放大后分成三路，第1路由峰值采集电路采集到电路峰值，并保持一段时间；第2路经过峰时刻判断电路产生一个与峰值时刻相对应的跳变电平信号，该电平信号有两个作用：一是控制采样保持电路工作状态，采样保持电路检测到由低电平跳变为高电平时，采样保持电路工作状态由采样状态转变为保持状态，可有效保持住峰值采集电路采集的峰值信息；二是给除法电路中AD采集提供开始信号，一旦峰值信号到来，启动AD采集，把峰值信息读入单片机作为除法电路除数电压。被除数电压取为AD采集的参考电压，所除的结果通过单片机输出到DA转换芯片转化为电压信号，该电压信号为增益控制电压。第3路为主信号回路，经过100 μs延时后，与增益控制电压进行乘法运算，输出幅值稳定的模拟信号，最后经触发和驱动电路产生一个与弹丸击发时刻相对应的触发脉冲信号，用于触发外弹道测试设备。

2 自适应信号处理电路实现

2.1 电路工作过程分析

图2 信号处理电路原理图

探测器输出的火焰信号与半矢正弦波类似，频率小于10 kHz，设定整个过程中信号为U，表达式为U=Umsin(wt+φ)，则峰值采集电路采集到的信号峰值为Um，单片机通过AD采集获取到Um并转化为数字量，把Um作为除法运算被除数，除数取单片机AD采集的参考电压也就是单片机的内部参考电压Vref=1.344V，得到相除之后结果V1：

(1)

(2)

V1经过DA转换输出增益控制电压Vgain，如(2)式，AD采集时参考电压为1.344 V，而DA转化时参考电压取电源电压5 V,由于参考电压不同，经DA转换后输出信号Vgain相当于对V1进行了放大，放大倍数为参考电压之比5/1.344=3.72倍。

增益控制电压和经延时之后的输入信号经过乘法电路相乘输出为Uout：

Uout=Vgain*Umsin(wt+φ)

(3)

把式(1)、(2)带入(3)中，得Uout=5sin(wt+φ)，可知无论输入信号峰值如何变化，经乘法和除法运算后，输出模拟信号都在5 V范围内波动，并且幅值恒为5 V。

2.2 电路各模块设计

2.2.1 抗混叠滤波电路

抗混叠滤波器一般指低通滤波器，利用滤波器群延时特性实现模拟信号的延时。滤波器的群延时特性是指不同频率的一群信号经过滤波器之后产生的信号延时，它是滤波器相频特性在各个频率所对应的斜率(取绝对值)。滤波器相频特性为理想情况时，通频带内具有平缓波特曲线，相频特性为一条直线，即相频特性的斜率处处相等，所有通频带内信号通过滤波器时，都会产生延时，并且延时时间相等，都等于相频特性曲线斜率(群延时)；延时的大小与滤波器的相频特性有关。滤波器相频特性为非理想情况时，不同频率的信号分量通过滤波器都会产生延时，但他们的延时时间都不相等，这是由于滤波器相频特性曲线并非一条直线，所以不同频率分量的信号会有不同的延时，也就导致了输入信号出现相位失真。不同的截止频率，不同的滤波器阶数都会产生不同的群延时。带通滤波器和高通滤波器都是通过低通滤波器进行频率变换得到，由于在频率变换时没有对滤波器的群延时特性加以保护，所以它们的相位失真很严重。由于bessel滤波器具有最佳的群延时特性，基于此设计bessel低通滤波器实现模拟信号延时功能。

设计四阶截止频率20k的bessel低通滤波器，群延时特性如图3。火焰触发器探测的枪口火光信号频率范围1～20 kHz,延时电路使一定频率宽度的一群信号延迟一段时间，设计时应保证该频率范围的火光信号处于群延时范围内，延时电路主要作用是保证控制信号在原始信号到达乘法运算电路之前生成，根据控制信号产生所需时间，延时时间为100 μs。一个四阶截止频率20 k的bessel延时时间约为21 μs，可通过级联实现更长时间的延时。采用5个四阶bessel低通滤波器可将原始信号延时100 μs左右。图4为用Sallen-Key电路单元设计的4阶bessel低通滤波器(延时电路)电路拓扑图。

图3 四阶bessel群延时特性

图4 四阶bessel滤波器电路

2.2.2 峰值采集与保持电路

图5 峰值保持电路

图6 输出峰值信号(电容取值0.039 μF)

2.2.3 过峰时刻判断电路

作用：产生一个与过峰时刻相对应的脉冲信号，该脉冲信号控制峰值保持电路开始保持同时启动AD采集把峰值信息读入单片机。

过峰时刻判断电路采用微分电路和过零比较器组合实现。反向端电容C2、反馈路电阻R7以及运放构成基本微分电路。C7为旁路电容，可有效降低高频噪声。过零比较器使用LM111和外围电路构成，当输入波形处于上升阶段时，微分电路输出为负，D4两端加正向电压导通，比较器LM111上同向端电压小于反向端电压，比较器6脚输出低电平；当输入波形处于下降阶段时，微分电路输出为正，D4两端加反向电压截止，此时LM111同向端电压大于反向端，比较器6脚输出高电平。电路如图7。

图7 过峰时刻判断电路

输入波形经过微分电路后波谷和波峰都转换为过零点，过零电压比较器判断出过零点时刻并输出对应高低电平，通过检测出电平变化可以有效得到波峰和波谷对应时刻。波峰值对应由低电平到高电平变化，采样保持芯片检测到此电平变化即认为峰值到来，由采样过程变为保持过程，可有效保持峰值信息。

2.2.4 除法电路与乘法电路

除法电路的作用是计算出增益控制因数，先通过AD采集把峰值信号读入单片机，转换后的数字信号作为除法电路分母，分子取AD转换的参考电压，运算结果通过DA转化成对应电流信号，电流信号经过流压转换电路转换为电压信号，该电压信号即为增益控制电压，增益控制电压与输入信号经乘法电路相乘，实现输入信号自适应放大。除法电路整体电路如图8。

图8 除法运算电路

当过峰时刻判断电路检测到峰值时刻，输出一个与峰值时刻相对应的高电平信号，单片机检测到此信号后启动AD转换，AD每转换完成一次会触发中断，采集5个点之后，设置关闭AD模块，把五个点的数据进行比较，取最大值，参考电压除以该最大值，相除结果经过DA模块变成模拟电压信号。程序流程图如图9所示。

图9 单片机程序流程

乘法电路使用四象限模拟乘法器AD633，AD633有X和Y两个高阻抗输入和一个求和输入Z，该AD633精度为满量程的2%，采用激光校准，高阻抗输入Y非线性度通常小于0.1%，1 MHz带宽，20 V/μs压摆率，AD633输出W可以驱动容性负载，AD633使用简单，价格低，被广泛运用。AD633做乘法器使用时，整体的传递函数为：

(4)

3 试验验证与分析

为了验证设计电路的性能，将信号发生器输出幅值为300 mV、频率10k半正矢正弦信号作为信号处理电路的输入信号，经过第一级放大电路进行5倍后，输入给延时模块、峰值采集模块和过峰判断模块，利用示波器测量各个模块电路输出的信号，如图10，图中CH3为是原始输入信号；CH2为是峰值采集电路模块采集的峰值信号，该峰值信号经过采样保持电路后，峰值信息以2 mV/s速率下降，能很好保持住峰值信息；CH4为最终经过乘法电路后输出的信号，该信号相对于输入信号延时了100 μs，幅值约为5 V。

图10 测试波形

图11 输出幅值曲线

当设计输入信号在80～300 mV范围内变化时，输出信号幅值始终在5 V附近，图11是实测不同输入信号幅值所对应的输出信号幅值曲线，验证了设计电路的有效性。

从输出幅值曲线可以看出输出信号幅值存在一定的波动，这是由于在进行除法运算时，通过12位AD采入峰值信息，只读取结果高八位，导致除数比实际采的值小一点，使运算结果变大；而且在进行除法运算时,相除的结果有小数的情况很常见，在读取时只读取小数后2位，因此所读取的运算结果比实际计算的结果小，这两个因素再加上电路本身会产生误差导致输出结果在5 V周围有微小的波动。输出信号幅值基本稳定在5 V，最大误差不超过输出的5%。

4 结论

针对现有火焰触发器动态范围不足问题，设计一种自适应信号处理电路，用于扩大火焰触发器的动态范围。其结论如下：

(1)设计了前馈型AGC电路代替火焰触发器原电路，通过峰值采集电路、过峰时刻判断电路、保持电路、除法电路，生成增益控制电压，增益控制电压与经延时电路之后的原始信号通过乘法运算电路相乘实现对原始信号的自适应放大。

(2)信号处理电路能够根据输入信号峰值大小自动调整信号处理电路增益，解决了火焰触发器由于天空背景光照变化而出现的信号饱和或无信号输出问题，扩大了火焰触发器的动态范围；

(3)实测证明：利用乘除法运算设计的AGC电路，具有很好的稳定性，最大输出误差小于理论值的5%，可满足火焰触发器快速可靠的触发要求。