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(西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安 710021)

0 引言

為評(píng)價(jià)武器系統(tǒng)總體性能，分析研究武器系統(tǒng)內(nèi)、外彈道和終點(diǎn)彈道性能，在武器研制、生產(chǎn)與交驗(yàn)過(guò)程中需準(zhǔn)確測(cè)量武器系統(tǒng)飛行姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)軌跡和攻角等參數(shù)[1]。由于武器作用時(shí)間短，采用高速圖像或數(shù)據(jù)采集設(shè)備需要快速可靠的外觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行工作。傳統(tǒng)外觸發(fā)信號(hào)來(lái)源主要有斷靶線、聲傳感器[2]、天幕靶[3]和火焰觸發(fā)器[4]，其中斷靶線放置在槍口處，需人工接線安全性差；天幕靶在工作時(shí)需要天空作為背景光源，僅能白天工作；聲傳感器容易受環(huán)境風(fēng)的干擾，可靠性差；火焰觸發(fā)器能夠探測(cè)彈丸擊發(fā)瞬間產(chǎn)生的火焰或空中爆炸時(shí)產(chǎn)生的火光，輸出觸發(fā)信號(hào)，實(shí)時(shí)性高，應(yīng)用較為廣泛。

現(xiàn)有火焰觸發(fā)器無(wú)法根據(jù)外界光照環(huán)境自適應(yīng)調(diào)整信號(hào)處理電路增益，動(dòng)態(tài)范圍有限，在不同天空照度下會(huì)出現(xiàn)信號(hào)飽和或無(wú)信號(hào)輸出的問(wèn)題。背景光較強(qiáng)時(shí)，火焰觸發(fā)器探測(cè)靈敏度急劇下降，無(wú)法可靠探測(cè)炮口火光，為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種前饋型AGC電路代替原固定增益電路，根據(jù)輸入信號(hào)大小自動(dòng)調(diào)整信號(hào)處理電路的增益，增加動(dòng)態(tài)信號(hào)范圍，擴(kuò)大火焰觸發(fā)器適用范圍。

1 自適應(yīng)信號(hào)處理電路工作原理

設(shè)計(jì)使用峰值檢測(cè)、除法電路、乘法電路構(gòu)成一種前饋型AGC電路[5]，相比于用壓控增益芯片或者數(shù)控增益芯片實(shí)現(xiàn)的前饋式AGC電路，省去復(fù)雜算法設(shè)計(jì)問(wèn)題，又具有前饋型AGC電路的各種優(yōu)點(diǎn)，如具有快速的響應(yīng)時(shí)間，信號(hào)檢測(cè)和增益控制并行等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。

信號(hào)處理電路根據(jù)輸入信號(hào)的幅值自動(dòng)調(diào)整電路增益，具體實(shí)現(xiàn)方法：利用延時(shí)電路把原始信號(hào)延遲100 μs，該延時(shí)時(shí)間是依據(jù)控制信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間確定，保證控制信號(hào)在原始信號(hào)到達(dá)乘法運(yùn)算電路之前；峰值檢測(cè)電路精確檢測(cè)出輸入信號(hào)峰值的大小，通過(guò)除法電路把參考電壓和采集到的峰值信號(hào)相除從而計(jì)算出增益控制因子，在把延時(shí)之后的原始信號(hào)通過(guò)乘法電路和增益控制因子相乘，可以把輸入信號(hào)放大到所設(shè)置的被除數(shù)電壓(參考電壓)附近，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制，確保輸出信號(hào)的幅值始終保持在一定幅值范圍內(nèi)[8]。

根據(jù)彈丸擊發(fā)時(shí)產(chǎn)生的火焰特性[9-11]，現(xiàn)有的火焰觸發(fā)器用前級(jí)放大電路輸出信號(hào)的幅值范圍80～300 mV，頻率在10 kHz以內(nèi)的模擬信號(hào)，圖1為整體自適應(yīng)信號(hào)處理電路增益控制實(shí)現(xiàn)原理圖。

圖1 信號(hào)處理電路增益控制實(shí)現(xiàn)框圖

將信號(hào)進(jìn)行5倍放大后分成三路，第1路由峰值采集電路采集到電路峰值，并保持一段時(shí)間；第2路經(jīng)過(guò)峰時(shí)刻判斷電路產(chǎn)生一個(gè)與峰值時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的跳變電平信號(hào)，該電平信號(hào)有兩個(gè)作用：一是控制采樣保持電路工作狀態(tài)，采樣保持電路檢測(cè)到由低電平跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，采樣保持電路工作狀態(tài)由采樣狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楸３譅顟B(tài)，可有效保持住峰值采集電路采集的峰值信息；二是給除法電路中AD采集提供開始信號(hào)，一旦峰值信號(hào)到來(lái)，啟動(dòng)AD采集，把峰值信息讀入單片機(jī)作為除法電路除數(shù)電壓。被除數(shù)電壓取為AD采集的參考電壓，所除的結(jié)果通過(guò)單片機(jī)輸出到DA轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)為增益控制電壓。第3路為主信號(hào)回路，經(jīng)過(guò)100 μs延時(shí)后，與增益控制電壓進(jìn)行乘法運(yùn)算，輸出幅值穩(wěn)定的模擬信號(hào)，最后經(jīng)觸發(fā)和驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生一個(gè)與彈丸擊發(fā)時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的觸發(fā)脈沖信號(hào)，用于觸發(fā)外彈道測(cè)試設(shè)備。

2 自適應(yīng)信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)

2.1 電路工作過(guò)程分析

圖2 信號(hào)處理電路原理圖

探測(cè)器輸出的火焰信號(hào)與半矢正弦波類似，頻率小于10 kHz，設(shè)定整個(gè)過(guò)程中信號(hào)為U，表達(dá)式為U=Umsin(wt+φ)，則峰值采集電路采集到的信號(hào)峰值為Um，單片機(jī)通過(guò)AD采集獲取到Um并轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，把Um作為除法運(yùn)算被除數(shù)，除數(shù)取單片機(jī)AD采集的參考電壓也就是單片機(jī)的內(nèi)部參考電壓Vref=1.344V，得到相除之后結(jié)果V1：

(1)

(2)

V1經(jīng)過(guò)DA轉(zhuǎn)換輸出增益控制電壓Vgain，如(2)式，AD采集時(shí)參考電壓為1.344 V，而DA轉(zhuǎn)化時(shí)參考電壓取電源電壓5 V,由于參考電壓不同，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后輸出信號(hào)Vgain相當(dāng)于對(duì)V1進(jìn)行了放大，放大倍數(shù)為參考電壓之比5/1.344=3.72倍。

增益控制電壓和經(jīng)延時(shí)之后的輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)乘法電路相乘輸出為Uout：

Uout=Vgain*Umsin(wt+φ)

(3)

把式(1)、(2)帶入(3)中，得Uout=5sin(wt+φ)，可知無(wú)論輸入信號(hào)峰值如何變化，經(jīng)乘法和除法運(yùn)算后，輸出模擬信號(hào)都在5 V范圍內(nèi)波動(dòng)，并且幅值恒為5 V。

2.2 電路各模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 抗混疊濾波電路

抗混疊濾波器一般指低通濾波器，利用濾波器群延時(shí)特性實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的延時(shí)。濾波器的群延時(shí)特性是指不同頻率的一群信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器之后產(chǎn)生的信號(hào)延時(shí)，它是濾波器相頻特性在各個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的斜率(取絕對(duì)值)。濾波器相頻特性為理想情況時(shí)，通頻帶內(nèi)具有平緩波特曲線，相頻特性為一條直線，即相頻特性的斜率處處相等，所有通頻帶內(nèi)信號(hào)通過(guò)濾波器時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，并且延時(shí)時(shí)間相等，都等于相頻特性曲線斜率(群延時(shí))；延時(shí)的大小與濾波器的相頻特性有關(guān)。濾波器相頻特性為非理想情況時(shí)，不同頻率的信號(hào)分量通過(guò)濾波器都會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，但他們的延時(shí)時(shí)間都不相等，這是由于濾波器相頻特性曲線并非一條直線，所以不同頻率分量的信號(hào)會(huì)有不同的延時(shí)，也就導(dǎo)致了輸入信號(hào)出現(xiàn)相位失真。不同的截止頻率，不同的濾波器階數(shù)都會(huì)產(chǎn)生不同的群延時(shí)。帶通濾波器和高通濾波器都是通過(guò)低通濾波器進(jìn)行頻率變換得到，由于在頻率變換時(shí)沒(méi)有對(duì)濾波器的群延時(shí)特性加以保護(hù)，所以它們的相位失真很嚴(yán)重。由于bessel濾波器具有最佳的群延時(shí)特性，基于此設(shè)計(jì)bessel低通濾波器實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)延時(shí)功能。

設(shè)計(jì)四階截止頻率20k的bessel低通濾波器，群延時(shí)特性如圖3。火焰觸發(fā)器探測(cè)的槍口火光信號(hào)頻率范圍1～20 kHz,延時(shí)電路使一定頻率寬度的一群信號(hào)延遲一段時(shí)間，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證該頻率范圍的火光信號(hào)處于群延時(shí)范圍內(nèi)，延時(shí)電路主要作用是保證控制信號(hào)在原始信號(hào)到達(dá)乘法運(yùn)算電路之前生成，根據(jù)控制信號(hào)產(chǎn)生所需時(shí)間，延時(shí)時(shí)間為100 μs。一個(gè)四階截止頻率20 k的bessel延時(shí)時(shí)間約為21 μs，可通過(guò)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的延時(shí)。采用5個(gè)四階bessel低通濾波器可將原始信號(hào)延時(shí)100 μs左右。圖4為用Sallen-Key電路單元設(shè)計(jì)的4階bessel低通濾波器(延時(shí)電路)電路拓?fù)鋱D。

圖3 四階bessel群延時(shí)特性

圖4 四階bessel濾波器電路

2.2.2 峰值采集與保持電路

圖5 峰值保持電路

圖6 輸出峰值信號(hào)(電容取值0.039 μF)

2.2.3 過(guò)峰時(shí)刻判斷電路

作用：產(chǎn)生一個(gè)與過(guò)峰時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)控制峰值保持電路開始保持同時(shí)啟動(dòng)AD采集把峰值信息讀入單片機(jī)。

過(guò)峰時(shí)刻判斷電路采用微分電路和過(guò)零比較器組合實(shí)現(xiàn)。反向端電容C2、反饋路電阻R7以及運(yùn)放構(gòu)成基本微分電路。C7為旁路電容，可有效降低高頻噪聲。過(guò)零比較器使用LM111和外圍電路構(gòu)成，當(dāng)輸入波形處于上升階段時(shí)，微分電路輸出為負(fù)，D4兩端加正向電壓導(dǎo)通，比較器LM111上同向端電壓小于反向端電壓，比較器6腳輸出低電平；當(dāng)輸入波形處于下降階段時(shí)，微分電路輸出為正，D4兩端加反向電壓截止，此時(shí)LM111同向端電壓大于反向端，比較器6腳輸出高電平。電路如圖7。

圖7 過(guò)峰時(shí)刻判斷電路

輸入波形經(jīng)過(guò)微分電路后波谷和波峰都轉(zhuǎn)換為過(guò)零點(diǎn)，過(guò)零電壓比較器判斷出過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻并輸出對(duì)應(yīng)高低電平，通過(guò)檢測(cè)出電平變化可以有效得到波峰和波谷對(duì)應(yīng)時(shí)刻。波峰值對(duì)應(yīng)由低電平到高電平變化，采樣保持芯片檢測(cè)到此電平變化即認(rèn)為峰值到來(lái)，由采樣過(guò)程變?yōu)楸３诌^(guò)程，可有效保持峰值信息。

2.2.4 除法電路與乘法電路

除法電路的作用是計(jì)算出增益控制因數(shù)，先通過(guò)AD采集把峰值信號(hào)讀入單片機(jī)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)作為除法電路分母，分子取AD轉(zhuǎn)換的參考電壓，運(yùn)算結(jié)果通過(guò)DA轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)流壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)即為增益控制電壓，增益控制電壓與輸入信號(hào)經(jīng)乘法電路相乘，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)自適應(yīng)放大。除法電路整體電路如圖8。

圖8 除法運(yùn)算電路

當(dāng)過(guò)峰時(shí)刻判斷電路檢測(cè)到峰值時(shí)刻，輸出一個(gè)與峰值時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的高電平信號(hào)，單片機(jī)檢測(cè)到此信號(hào)后啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，AD每轉(zhuǎn)換完成一次會(huì)觸發(fā)中斷，采集5個(gè)點(diǎn)之后，設(shè)置關(guān)閉AD模塊，把五個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，取最大值，參考電壓除以該最大值，相除結(jié)果經(jīng)過(guò)DA模塊變成模擬電壓信號(hào)。程序流程圖如圖9所示。

圖9 單片機(jī)程序流程

乘法電路使用四象限模擬乘法器AD633，AD633有X和Y兩個(gè)高阻抗輸入和一個(gè)求和輸入Z，該AD633精度為滿量程的2%，采用激光校準(zhǔn)，高阻抗輸入Y非線性度通常小于0.1%，1 MHz帶寬，20 V/μs壓擺率，AD633輸出W可以驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載，AD633使用簡(jiǎn)單，價(jià)格低，被廣泛運(yùn)用。AD633做乘法器使用時(shí)，整體的傳遞函數(shù)為：

(4)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的性能，將信號(hào)發(fā)生器輸出幅值為300 mV、頻率10k半正矢正弦信號(hào)作為信號(hào)處理電路的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)第一級(jí)放大電路進(jìn)行5倍后，輸入給延時(shí)模塊、峰值采集模塊和過(guò)峰判斷模塊，利用示波器測(cè)量各個(gè)模塊電路輸出的信號(hào)，如圖10，圖中CH3為是原始輸入信號(hào)；CH2為是峰值采集電路模塊采集的峰值信號(hào)，該峰值信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣保持電路后，峰值信息以2 mV/s速率下降，能很好保持住峰值信息；CH4為最終經(jīng)過(guò)乘法電路后輸出的信號(hào)，該信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)延時(shí)了100 μs，幅值約為5 V。

圖10 測(cè)試波形

圖11 輸出幅值曲線

當(dāng)設(shè)計(jì)輸入信號(hào)在80～300 mV范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出信號(hào)幅值始終在5 V附近，圖11是實(shí)測(cè)不同輸入信號(hào)幅值所對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)幅值曲線，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)電路的有效性。

從輸出幅值曲線可以看出輸出信號(hào)幅值存在一定的波動(dòng)，這是由于在進(jìn)行除法運(yùn)算時(shí)，通過(guò)12位AD采入峰值信息，只讀取結(jié)果高八位，導(dǎo)致除數(shù)比實(shí)際采的值小一點(diǎn)，使運(yùn)算結(jié)果變大；而且在進(jìn)行除法運(yùn)算時(shí),相除的結(jié)果有小數(shù)的情況很常見，在讀取時(shí)只讀取小數(shù)后2位，因此所讀取的運(yùn)算結(jié)果比實(shí)際計(jì)算的結(jié)果小，這兩個(gè)因素再加上電路本身會(huì)產(chǎn)生誤差導(dǎo)致輸出結(jié)果在5 V周圍有微小的波動(dòng)。輸出信號(hào)幅值基本穩(wěn)定在5 V，最大誤差不超過(guò)輸出的5%。

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有火焰觸發(fā)器動(dòng)態(tài)范圍不足問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)信號(hào)處理電路，用于擴(kuò)大火焰觸發(fā)器的動(dòng)態(tài)范圍。其結(jié)論如下：

(1)設(shè)計(jì)了前饋型AGC電路代替火焰觸發(fā)器原電路，通過(guò)峰值采集電路、過(guò)峰時(shí)刻判斷電路、保持電路、除法電路，生成增益控制電壓，增益控制電壓與經(jīng)延時(shí)電路之后的原始信號(hào)通過(guò)乘法運(yùn)算電路相乘實(shí)現(xiàn)對(duì)原始信號(hào)的自適應(yīng)放大。

(2)信號(hào)處理電路能夠根據(jù)輸入信號(hào)峰值大小自動(dòng)調(diào)整信號(hào)處理電路增益，解決了火焰觸發(fā)器由于天空背景光照變化而出現(xiàn)的信號(hào)飽和或無(wú)信號(hào)輸出問(wèn)題，擴(kuò)大了火焰觸發(fā)器的動(dòng)態(tài)范圍；

(3)實(shí)測(cè)證明：利用乘除法運(yùn)算設(shè)計(jì)的AGC電路，具有很好的穩(wěn)定性，最大輸出誤差小于理論值的5%，可滿足火焰觸發(fā)器快速可靠的觸發(fā)要求。