李良杰，呂志剛，馮曉崗，王 賓，邸若海

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

對于采用感應(yīng)裝定方式的引信系統(tǒng)，其通信鏈路的可靠性至關(guān)重要，直接影響了引信裝定的安全性和全彈的空炸作用率，膛口信息傳輸成為限制膛口感應(yīng)裝定引信發(fā)展的瓶頸技術(shù)[1-2]。由于感應(yīng)裝定系統(tǒng)采用非接觸式信息傳輸方式，感應(yīng)接收到的信號幅值較小，不便后續(xù)分析測量；且在不同頻率，不同電磁環(huán)境的影響下，感應(yīng)接收到的高頻微弱信號易受干擾產(chǎn)生失真，因此在感應(yīng)裝定通信鏈路中，需要對感應(yīng)接收信號進(jìn)行幅值放大，從而方便后續(xù)電路的檢測、處理、分析。近年來，國內(nèi)學(xué)者提出基于AD620的放大器，解決了放大電路中零點(diǎn)飄移、放大失真等問題[3-4]，但未在控制放大電路方面做出改進(jìn)，所使用的信號放大方法主要是由集成運(yùn)算放大器構(gòu)建的傳統(tǒng)的單級放大電路。傳統(tǒng)的微弱信號放大電路依靠手動調(diào)節(jié)增益，電路輸出的結(jié)果會過大或過小，這種不穩(wěn)定性會給后續(xù)的電路處理帶來很大的麻煩[5]；并且針對感應(yīng)裝定測試系統(tǒng)的信號放大裝置設(shè)計還處于空窗期。針對傳統(tǒng)放大電路依靠手動調(diào)節(jié)增益帶來的誤差和不便，結(jié)合感應(yīng)裝定測試系統(tǒng)特點(diǎn)，提出基于四級級聯(lián)放大的程控微弱信號放大裝置。

1 分析與設(shè)計

1.1 需求分析

圖1為某感應(yīng)裝定測試系統(tǒng)簡化模型。系統(tǒng)通過感應(yīng)耦合的方式完成裝定信號的解調(diào)、解碼及信息解析。該測試系統(tǒng)主要功能是對引信通信鏈路進(jìn)行可靠性測試，其中包括感應(yīng)裝定、接收線圈性能分析。

圖1 感應(yīng)裝定測試系統(tǒng)簡化模型Fig.1 Simplified model of induction setting test system

在測試過程中，引信體材料和感應(yīng)線圈匝數(shù)、匹配參數(shù)會依據(jù)實(shí)際需求變化[6]，根據(jù)耦合回路負(fù)載電壓計算公式

(1)

式(1)中，U2為次級耦合回路負(fù)載電壓，L2為次級線圈自感，R2為回路線圈的等效阻抗，C2為次級線圈匹配諧振電容，I1為初級線圈回路電流[7]。在上述參數(shù)改變的情況下，會導(dǎo)致感應(yīng)接收線圈電壓的變化，因此在放大接收信號時，需要及時調(diào)整增益。

1.2 傳統(tǒng)放大電路

傳統(tǒng)的放大電路主要是由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的單級放大電路，文獻(xiàn)[3—4]中都提出了一種以AD620為核心的微弱信號放大器，其核心放大單元原理圖如圖2所示。

輸出電壓可表示為：

Vout=G(Vin+-Vin-)+ADJ，

(2)

式(2)中，Vout為AD620放大器輸出電壓；G為AD620的放大倍數(shù)；Vin+、Vin-為輸入信號；ADJ為零點(diǎn)偏移的調(diào)節(jié)電壓。

圖2 AD620原理圖Fig.2 Schematic diagram of AD620

該放大電路通過手動調(diào)節(jié)滑動變阻器R1即可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。

總結(jié)出該單級放大電路的兩大特點(diǎn)：

1) 由AD620構(gòu)成的單級放大電路，電路設(shè)計簡便，成本較低，但放大倍數(shù)有限。

2) 手動調(diào)節(jié)增益，簡單直接，但人為誤差可能導(dǎo)致放大倍數(shù)過大或過小。

因此，需要設(shè)計出一款增益可程控調(diào)整的放大裝置以適應(yīng)不同測試條件，并且單獨(dú)裝置的設(shè)計也能滿足我國引信火工品三化(通用化、模塊化、系列化)的需求[8]。

1.3 四級程控放大電路原理

本文提出的四級放大電路的構(gòu)建方式如圖3所示，由四級放大單元級聯(lián)而成，裝置總增益為各級增益之和。其中，第三級放大單元采用SPI控制的方式，由兩片HMC960級聯(lián)構(gòu)成程控放大單元。各級電路中所需的增益設(shè)置電阻以及反饋電阻等參數(shù)的計算方式及具體電路構(gòu)建將在下文詳細(xì)討論。

圖3 四級放大電路構(gòu)成Fig.3 Four stage amplifier circuit

針對各級放大芯片具體的增益分配如表1所示，其中兩片HMC960增益設(shè)置相同。根據(jù)表1可以計算出裝置理論上總放大倍數(shù)在10～1 000倍，即增益在20～60 dB連續(xù)可調(diào)。

表1 各級增益分配Tab.1 Gain distribution

2 四級級聯(lián)程控微弱信號放大裝置

2.1 總體構(gòu)架

基于四級級聯(lián)程控放大的微弱信號放大裝置總體構(gòu)架構(gòu)如圖4所示。信號放大電路由前置低噪聲放大單元、單端轉(zhuǎn)差分放大單元、DGA(dual gain amplifier)主放大單元及差分轉(zhuǎn)單端放大單元構(gòu)成四級程控放大電路。主控電路采用STM32為主控芯片作為裝置控制單元，配合外圍電路實(shí)現(xiàn)增益調(diào)節(jié)、顯示等功能。上位機(jī)軟件基于LabVIEW平臺進(jìn)行設(shè)計。

圖4 總體構(gòu)架Fig.4 Overall architecture

2.1.1前置低噪聲放大單元

在多級放大電路中，考慮到第一級噪聲系數(shù)與裝置總噪聲系數(shù)的關(guān)系

(3)

式(3)中，Nf為多級放大裝置總噪聲系數(shù)，Nf1、Nf2和Nf3為每一級的噪聲系數(shù)，G1、G2則為每一級的增益[9]。

由式(1)可知，第一級噪聲系數(shù)主要影響了系統(tǒng)總噪聲。因此，選用一款超低噪聲和超低失真的電壓反饋運(yùn)算放大芯片AD8099[10]作為前置輸入電路使用。如圖5所示，1R3和1R2分別為反饋電阻和增益設(shè)置電阻，分別設(shè)置為499 Ω和124 Ω，那么其增益計算如式(4)：

(4)

式(4)中，Vout為AD8099輸出電壓，Vin為輸入電壓。通過反饋電阻RF1和增益設(shè)置電阻RG1將前置放大單元增益設(shè)置為+5倍。當(dāng)芯片被設(shè)置在+10倍以下，需要外部補(bǔ)償，由1R4和1C8構(gòu)成RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

圖5 前置放大電路Fig.5 Preamplifier circuit

2.1.2單端轉(zhuǎn)差分放大單元

考慮到裝置接收的信號為高頻微弱信號，為增強(qiáng)抗干擾能力，在單端輸入后接單端轉(zhuǎn)差分放大單元，將信號轉(zhuǎn)換為差分信號，用來提高抗干擾能力，抑制共模輸入，匹配主放大單元的輸入方式。

采用兩個等比反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建AD8139單端轉(zhuǎn)差分放大單元具體電路如圖6所示，為匹配寄生效應(yīng)，這兩個網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上由兩個等值反饋電阻RF2和兩個等值增益電阻RG2構(gòu)成。在圖中分別對應(yīng)2R2、2R4和2R1、2R3。

根據(jù)芯片手冊計算得出，若

(5)

則增益方程可推導(dǎo)為：

(6)

式(6)中，G2為放大增益，該級通過反饋電阻和兩個等值增益電阻將增益設(shè)置為+1倍。

圖6 單端轉(zhuǎn)差分放大電路Fig.6 Single-ended to differential amplifier circuit

2.1.3DGA放大單元

DGA主放大單元由兩片HMC960級聯(lián)而成，HMC960是一種數(shù)字可編程雙通道可變增益放大器，在0～100 MHz頻率范圍內(nèi)，能實(shí)現(xiàn)0～40 dB以0.5 dB步進(jìn)的增益控制范圍，具有高度靈活性[11]。

為避免放大倍數(shù)飽和而導(dǎo)致的多級串?dāng)_問題，本裝置將單片HMC960放大增益設(shè)置在0～20 dB之間，兩級級聯(lián)后放大增益理論上可達(dá)0～80 dB，滿足本設(shè)計中對放大器頻帶及增益要求。DGA主放大電路的原理圖設(shè)計如圖7所示。采用一主多從的控制方式，將兩片HMC960的時鐘線SCK、數(shù)據(jù)線SDI和SDO共同接入單片機(jī)的SPI接口，兩個片選接口SEN分別接入單片機(jī)。這樣的電氣連接方式為程控功能的實(shí)現(xiàn)提供了硬件基礎(chǔ)。

圖7 DGA主放大電路Fig.7 DGA main amplifier circuit

2.1.4差分轉(zhuǎn)單端放大單元

由于前述DGA放大單元的輸出方式為差分輸出，因此在主放大單元后需接差分轉(zhuǎn)單端芯片進(jìn)行放大信號輸出。AD8130是一款低功耗、低差模增益誤差的單端轉(zhuǎn)差分放大芯片[12]?；谝陨咸匦?，差分轉(zhuǎn)單端放大單元采用芯片AD8130及其外圍電路構(gòu)成，其原理圖如圖8所示。

由圖8可知，該芯片的放大倍數(shù)由反饋電阻5RF1和增益設(shè)置電阻5RG1決定(分別對應(yīng)式(7)中RF4和RG4)。因此在實(shí)際設(shè)計中應(yīng)當(dāng)采用高精度電阻來提升放大精度，其中放大增益與這兩個電阻的關(guān)系如式(7)所示。

圖8 差分轉(zhuǎn)單端放大電路Fig.8 Differential to single-ended amplifier circuit

(7)

式(7)中，Vout4為AD8130輸出電壓，Vin4為輸入電壓，將AD8130電壓放大增益設(shè)置為+2倍。為了隔絕直流信號，在信號輸出端加入0.1 μF電容。

2.2 程控增益調(diào)節(jié)

針對感應(yīng)裝定測試系統(tǒng)的特點(diǎn)：在不同測試條件下的感應(yīng)線圈對放大增益有不同的需求，即要求裝置放大倍數(shù)需要快速靈活調(diào)整。采用程序控制HMC960調(diào)整增益的方式，以得到快速精準(zhǔn)的響應(yīng)。下文將論述具體實(shí)現(xiàn)方式。

采用串行通信技術(shù)及SPI接口技術(shù)執(zhí)行數(shù)據(jù)的傳輸與控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對裝置的程序控制增益調(diào)節(jié)功能，避免了傳統(tǒng)放大電路中因手動調(diào)節(jié)增益帶來的誤差，其整體原理如圖9所示。上位機(jī)作為控制單元通過串行通信協(xié)議下發(fā)原始指令，單片機(jī)執(zhí)行數(shù)據(jù)解析與校驗(yàn)，最后通過SPI通信協(xié)議下發(fā)指令控制放大電路。

圖9 程控增益原理圖Fig.9 Schematic diagram of programmed gain

為了保證增益設(shè)置數(shù)據(jù)有效傳輸，避免因數(shù)據(jù)錯誤而影響放大效果，制定了串行通信數(shù)據(jù)包格式如表2所示，并在單片機(jī)中做幀頭幀尾校驗(yàn)無誤后才能有效提取增益數(shù)據(jù)。

表2 數(shù)據(jù)包格式Tab.2 Packet format

接收串行信息并解析后的有效數(shù)據(jù)通過SPI協(xié)議發(fā)送至HMC960執(zhí)行增益調(diào)節(jié)指令，以達(dá)到程控增益調(diào)節(jié)的目的。

在對HMC960進(jìn)行控制時，首先在SCK的上升沿前將SEN使能并把數(shù)據(jù)通過SDI數(shù)據(jù)線發(fā)送，此時HMC960會在SCK的第1個上升沿讀取SDI上的數(shù)據(jù)，并在接下來的23個SCK上升沿連續(xù)讀取并存儲數(shù)據(jù)，在隨后的5個SCK下降沿連續(xù)發(fā)送地址位，最后經(jīng)過3個SCK下降沿發(fā)送芯片地址。經(jīng)過32個時鐘周期后，將SEN失能，便完成了一次數(shù)據(jù)的寫入操作，即程控增益的過程，該過程的時序圖如圖10所示。

圖10 HMC960控制時序Fig.10 HMC960 control timing sequence

由于HMC960自帶SPI接口，所以需要在單片機(jī)中對SPI接口進(jìn)行配置。實(shí)際測試中，利用SPI協(xié)議進(jìn)行一主多從通信時，SPI接口的通信速率不宜過高，否則可能造成通信紊亂。因此，給出本文對HMC960操作時的SPI配置方式，如表3所示。

表3 SPI配置Tab.3 SPI configuration

2.3 軟件設(shè)計

2.3.1下位機(jī)軟件設(shè)計

微弱信號放大裝置中下位機(jī)軟件設(shè)計采用C語言在keil中借助STM32的固件庫進(jìn)行開發(fā)。微弱信號放大裝置的軟件部分主要用于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)輸出三部分，如圖11為本裝置下位機(jī)程序流程圖。

裝置上電后，首先對串口、LCD12864以及HMC960進(jìn)行初始化配置；隨后進(jìn)入主程序，在主程序中首先對程控、手控模式設(shè)置按鍵數(shù)據(jù)采集，程控模式下通過串口接收上位機(jī)指令后進(jìn)行解析，將數(shù)據(jù)寫入主放大芯片寄存器進(jìn)行增益調(diào)節(jié)并在LCD12864顯示設(shè)置的參數(shù)；手控模式下，采集編碼器數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，將數(shù)據(jù)寫入主放大芯片寄存器進(jìn)行增益調(diào)節(jié)并在LCD12864顯示設(shè)置的參數(shù)。

圖11 下位機(jī)程序流程Fig.11 Program flow of lower computer

2.3.2上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)也是實(shí)現(xiàn)程控功能的關(guān)鍵，本裝置上位機(jī)軟件采用G語言在LabVIEW環(huán)境下進(jìn)行程序設(shè)計。主要實(shí)現(xiàn)的是對放大前后波形采集與微弱信號的放大參數(shù)調(diào)節(jié)，圖12為上位機(jī)界面圖。

圖12 上位機(jī)界面Fig.12 PC interface

具體的實(shí)現(xiàn)過程主要包括通信單元、參數(shù)設(shè)置單元和波形顯示單元子程序設(shè)計。圖13為上位機(jī)程序設(shè)計流程圖。實(shí)現(xiàn)該程序通信單元用到LabVIEW平臺儀器I/O中的VISA串口通信方式，通過采用VISA配置串口、VISA寫入、VISA關(guān)閉等控件與示波器和信號源進(jìn)行通信。參數(shù)設(shè)置單元可以分為輸入頻率設(shè)置、輸入電壓設(shè)置以及增益設(shè)置等子單元，這些子單元通過通信協(xié)議編寫成子VI，從而實(shí)現(xiàn)裝置參數(shù)設(shè)置。波形顯示單元根據(jù)信號發(fā)生器及示波器的通信協(xié)議編寫成子VI讀取輸入、輸出波形。

圖13 上位機(jī)程序流程Fig.13 Program flow of the host computer

3 實(shí)驗(yàn)測試

在實(shí)驗(yàn)室條件下利用信號發(fā)生器產(chǎn)生毫伏級別的正弦信號，經(jīng)放大裝置放大后由示波器顯示放大后的波形及各項(xiàng)參數(shù)，根據(jù)測試數(shù)據(jù)評定該裝置工作性能。

采用控制變量法進(jìn)行頻率特性測試，固定信號輸入峰峰值為2 mV的正弦信號，固定放大增益40 dB，改變輸入信號頻率測試放大器的帶寬平坦度，測試結(jié)果如表4所示。

同樣采用控制變量法進(jìn)行增益特性測試，固定信號輸入峰峰值為10 mV的正弦信號，固定輸入信號頻率為50 MHz，改變增益進(jìn)行增益特性測試，測試結(jié)果如表5所示。

表4 頻率特性測試Tab.4 Frequency characteristic test

表5 增益特性測試Tab.5 Gain characteristic test

HMC960芯片最高輸入頻率不超過100 MHz，因此裝置不可接收100 MHz頻率以上的信號。在實(shí)際測量中，10 Hz以下頻率范圍由于頻率特性響應(yīng)的影響，該頻帶的微弱信號放大增益衰減較大，并出現(xiàn)波形失真，不具備有效放大能力。測試數(shù)據(jù)以及示波器波形表明，該放大裝置對10 Hz～100 MHz頻率范圍內(nèi)的微弱信號放大增益較為平坦，且無波形失真現(xiàn)象。在20～60 dB增益范圍內(nèi)，輸出電壓與放大增益呈高度線性關(guān)系，且無波形失真現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本文提出基于四級級聯(lián)放大的程控微弱信號放大裝置。該裝置以前置低噪聲放大單元、單端轉(zhuǎn)差分放大單元、DGA放大單元及差分轉(zhuǎn)單端放大單元完成四級級聯(lián)放大電路的構(gòu)建，給出各級增益的分配方式及具體實(shí)現(xiàn)方法；并自定串行通信數(shù)據(jù)包的方式完成控制指令下發(fā)，經(jīng)SPI協(xié)議控制DGA放大單元調(diào)節(jié)增益；利用C語言和LabVIEW平臺分別完成下位機(jī)程序設(shè)計及上位機(jī)界面設(shè)計。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該裝置對帶寬在10 Hz～100 MHz之間、最低幅值2 mV的微弱信號實(shí)現(xiàn)了20～60 dB程控增益不失真放大功能，且在通頻帶范圍內(nèi)的放大增益較為平坦。該裝置為感應(yīng)裝定測試領(lǐng)域?qū)π盘柗糯蟮男枨筇峁┝诵碌募夹g(shù)方案。