0 引言

    爆炸过程中的冲击波压力测试是武器研制过程中威力评估和性能评价的重要手段^[1]。研制试验的成本很高，必须保证测试系统的可靠性^[2]。静爆试验中，试验前操作人员估算冲击波超压峰值，选取合适量程的传感器，设置增益倍数、触发电平等参数。由于静爆试验的爆心固定，测点处估计的超压峰值与实际值接近，预先设置的增益和触发电平可以保证获取不截幅且精度较高的数据。然而动爆试验中，压力场分布不均、实际爆心与理想爆心位置会有偏差^[3]，估算的超压峰值和实际值可能存在较大偏差。如果仍使用静爆试验中增益的设置方法，那么当实际超压峰值与估算值相差较大时，设置的增益倍数不能对传感器的输出进行合适的放大。调理后的信号值可能过大而超出测试范围，造成获取的数据截幅；或者过小而降低测试精度。另外，如果测试系统使用冲击波信号作为触发源，那么若调理后的信号太小，就可能无法触发系统。为了增加动爆环境中测量的可靠性，文献[3]通过在测试节点安装多个不同量程的传感器来解决上述问题。超压值较大时，大量程的传感器保证测量到完整的信号；超压值较小时，小量程的传感器保证测量有较高的捕获率和精度。该方法所用的传感器数量越多，测量可靠性越高。由于传感器是暴露在测试现场的，较多数量的传感器在提高可靠性的同时也增加了现场操作的复杂性和传感器被损坏的概率；传感器数量少时则会降低测量的可靠性。因此本文提出了对传感器的输出信号进行多种增益放大的方法，用一个传感器可靠地获取动爆环境下的冲击波信号。

1 冲击波信号的多增益设计

    在信号动态范围大的情况下，常需要自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)系统实现对输入的自动增益控制^[4-6]，将输入信号调理到指定范围内。AGC系统由VGA(Variable Gain Amplifier)和反馈回路两部分组成，反馈回路的功能是从VGA的输出信号中提取幅度信息自动调节VGA的增益，当输入VGA的信号幅度增大时，通过反馈回路控制其增益减小，反之亦然。这样就使得输入信号不论强弱，经过AGC放大后都能得到电平基本恒定的输出信号，从而保证系统工作的动态范围。AGC广泛应用于超声波、雷达、无线通信、语音分析等系统中。AGC分为模拟AGC和数字AGC，两者的区别是数字AGC的反馈控制信号由数字部分产生。由于模拟AGC的增益连续变化，使输入、输出之间的关系复杂化，因此在测量中常用数字AGC实现离散增益控制。控制器判断模/数转换器的输出和设定阈值的关系，大于阈值上限则减小VGA的增益，小于阈值下限则增大VGA的增益。数字AGC系统用于冲击波测量时的控制过程如图1所示。

    假设系统有两种增益A₁和A₂，A₁>A₂，曲线1表示冲击波超压P，曲线2是VGA的输出电压U。冲击波开始阶段，U小于V₁，选择较大的增益A₁；冲击波到来瞬间，U迅速变大，在a点达到V₂，增益减小为A₂；冲击波在b点衰减到V₁时增益又变为A₁。这是在理想情况下的简单分析，实际上，为尽可能保证U在V₁和V₂之间变化，系统的增益会多于两种。冲击波变化过程中，增益会有多次切换以将信号转换到合适的范围。VGA改变增益时存在增益切换时间和稳定时间，这段时间内的输入输出关系不确定，所采集的数据不可信。冲击波前沿上升时间在1 μs~30 μs左右^[7]，输入、输出关系的短时间不确定就会对上升前沿的测量造成较大影响，因此不适合用AGC对冲击波信号进行调理。本文提出了多增益存储单增益读取的方案，在信号调理电路中并联不同增益倍数的放大电路，对传感器输出的同时进行不同增益倍数的放大，放大后的多路信号同时进行A/D转换并存到存储器中。最后通过提取最优增益数据的方法减少测量数据读取和处理的时间。该方法不需要切换增益就可实现信号的多增益倍数放大，能更加可靠地测量冲击波信号。

2 多增益测试节点设计及实现

    根据前述方案设计了基于FPGA控制的多增益存储单增益读取的测试节点，如图2所示。信号调理电路对传感器输出信号实现0.25、0.5、1、2、4、8、16、32共8种增益倍数的放大（或衰减），FPGA作为整个系统的控制器控制模拟开关、ADC、存储器、USB接口的操作。为方便描述，把实现不同增益的放大电路称为增益支路，支路名称用A₁~A₈表示，增益倍数依次增大。

2.1 冲击波信号的调理

    传感器的输出信号有8V左右的直流偏置电压，交流信号的动态范围是-5 V～+5 V，现以其中一个增益支路说明信号的调理方法。信号调理电路如图3所示。

    图3中电源通过恒流二极管D1给传感器提供稳定的驱动电流。隔直电容C2和C4滤除传感器的直流输出。由于后续ADC的输入电压范围是1.25 V～3.75 V，所以需要对传感器输出的交流信号进行偏置和放大（衰减）。R2和R6实现0.25倍的衰减并加上2.5 V的直流偏置，输入到第一级运放的电压范围是1.25 V～3.75 V；第一级运放和R7、R8组成同相放大电路对输入电压再次进行放大，改变R7、R8的电阻值可获得不同的放大倍数，放大后的信号为：

式中，V_ac为传感器输出的交流电压。

    第二级运放组成有源二阶滤波器对放大后的信号滤波，上限截止频率是200 kHz。

2.2 多增益信号的分时采集与存储

    传感器的输出经过调理电路后变成多路信号，每路信号是否完整、准确不可预知，所以需要对多路信号都进行转换并存储。根据冲击波信号的最高频率和采样定理，设定每路数据采样速率为1 MS/s，总的采样率是8 MS/s。ADC选用AD9220，分辨率12 bit，模拟开关选用ADG758，开关时间14 ns。存储器选用MT48LC8M16A2-7E，存储容量8 M×16 bit，最大工作时钟频率143 MHz，8 MS/s采样速率下可以存储持续时间大于1 s的信号。信号采集和存储时，相关信号的时序如图4所示。

    A1~A8是等待采集的8路信号，CLOCK是ADC的输入时钟，周期为125 ns，模拟开关通过位输入信号MUX_ADDR选择需要转换的信号。DATA_OUT是A/D转换的结果，由于A/D转换器采用了四级流水线结构，所以每个时钟上升沿采样值的转换结果会延迟3个时钟周期输出。

    采集和存储的时序如下：CLOCK低电平期间，ADC的采样保持放大器(Sample and Hold Amplifier，SHA)为采样状态“S”，SHA的建立时间是30 ns；在CLOCK的上升沿，SHA进入保持状态“H”，保持CLOCK上升沿对应的信号值，同时后级电路对其进行转换。为了采集多路信号，在SHA进入保持状态后，改变模拟开关的地址MUX_ADDR，将下一路需要采集的信号和ADC连接起来，通路切换时间14 ns。通路切换和SHA的建立可以在下一个时钟上升沿之前完成，保证了多路信号的正确采集。存储器分为MEM₁～MEM₈共8个分区，每个分区由连续的存储单元组成。A1～A8的转换结果按时间顺序分别存放到MEM₁～MEM₈中。分区存满后，返回分区首地址循环存储；系统触发后，继续存储预先设定的数据长度后停止数据采集和存储，等待读取数据。

    为了在小信号的情况下实现可靠的内触发，用具有最大增益的信号A8作为系统的触发源；为保证多组测量数据中至少有一组不截幅，最小增益支路A1的增益为0.25，可以把传感器的输出信号转换到1.25 V~3.75 V的范围内。

2.3 最优数据选取

    从获取的多组具有不同增益的数据中选出代表冲击波信号的最优数据作为测量结果，可以减少数据的读取和处理时间。FPGA首先判断分区MEM₁的数据是否超过A/D满量程，如果没超过，表示MEM₁存储的是不截幅的冲击波信号，然后根据该分区数据的峰值估计其他分区的峰值，以峰值最接近且不超出A/D满量程的分区作为最优分区；如果MEM1的数据存在截幅现象，表示冲击波信号已经超出所选传感器量程，那么把MEM₁作为最优分区。选出最优分区后，将最优分区的数据读出发送给上位机。利用上述方法，测试节点可以从多组测量数据中自动选出最优的一组数据，最优数据能最好地反映冲击波信号，最优数据选取流程如图5所示。

3 实验结果及分析

    动爆测试中影响测试可靠性的主要因素是测试节点处的超压峰值和预期不同，造成所选择的传感器量程和电路增益不合适，导致不可靠的测量。由于动爆实验操作难度大、成本高，当前不具备实验条件，本文用静爆实验来模拟动爆环境对测试的影响，验证所设计的测试系统的功能。用3套由操作人员在实验前设置参数的测试系统a、b、c和本文所设计的多增益测试系统d、e、f做比较实验，传感器选用PCB公司的ICP传感器。测点布设位置如图6所示，a、d、b和e、c、f分别布置在测点1、2、3，与理想爆心O的距离分别是3 m、4 m、5 m。试验时，人为地把炸药放置在偏离O点的位置，O₁、O₂、O₃分别是3次试验的实际爆心位置。

    实验前根据炸药当量、测点和爆心O的距离估算每个测试节点的超压峰值，分别设置a、b、c的增益为0.5、0.5、1，估算公式采用Henrych的经验公式^[8]，所有测试节点的触发电平设置为2.6 V。实际动爆试验中，爆炸源一般是配有精确导航装置的导弹，爆心偏差不会太大，爆心位置变动时，离爆心越近的测点受到的影响越大，因此测点1的传感器量程应该留有较大余量。根据ICP传感器的量程等级，各个测试点处传感器的量程选择如表1所示。

    所有装置测量到的超压峰值和获取到的数据的增益如表2所示。符号“--”表示测量结果出现截幅，无法得到超压峰值。

    表2中a、b、c的增益是在实验前根据估算的超压峰值设置的，设置后不能自动改变，d、e、f的增益是最终读取到的数据所具有的增益。第1次实验中，爆心远离测试点，实际超压峰值小于估算值，所有装置都获取到了超压峰值，但d、e、f的数据增益不小于a、b、c的数据增益，表明d、e、f从多组测量数据中进行了数据筛选，获得了更加精确的数据；第2次和第3次实验中，爆心靠近测试点，实际超压峰值大于估算值，a、b、c三套装置存在无法获取冲击波超压峰值的情况，而d、e、f通过选取小增益倍数的数据都获得了超压峰值。结果表明，相对具有固定单一增益的测试系统，本文设计的多增益测试系统可以获取完整而且更加准确的冲击波信号。

4 结论

    本文根据动爆环境中冲击波压力信号的特点，分析了具有固定单一增益和自动增益控制的测试系统存在的不足，设计了用于动爆环境下测量冲击波超压的多增益测试系统。实验结果表明，本文设计的测试系统能够实现冲击波信号的多增益采集存储以及单增益数据的读取，使得小信号信噪比高，大信号不截幅。由于不存在增益切换过程，所以能够更加准确地测量冲击波信号的上升前沿。本文设计的多增益测试系统为动爆环境下冲击波的准确测量提供了可靠的方法。

参考文献

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[8] 梁杰.冲击波测试与光触发设计[D].太原：中北大学，2014.

作者信息：

孟  博1，王文廉1，2

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051；

2.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原030051）