长线缆传输对冲击波超压信号影响分析及调理电路设计

Analysis of Impact of Long Cable Transmission on Shock Wave Overpressure Signals and Design of Conditioning Circuits

摘要

引线测试法是将长线缆与待测装置传感器连接进行冲击波超压测试的主要方法， 测试过程中需多次检查线缆状态， 导致测试准备时间过长， 且待测装置内部通常采用单一恒流源， 难以适应多场景下不同长度线缆的测试需求。针对上述问题， 设计了一种适用于长线缆传输的调理电路， 该电路不仅能够检测传输线缆的通断状态， 还可根据现场传输线长度的变化， 改变传感器的驱动电流， 从而保证信号准确性。测试表明， 设计电路能够准确判断电缆线通断状态， 并可通过上位机进行可视化显示， 在确保信号调理准确性的基础上实现了0~20 mA范围内恒流源可调， 有效地提高了仪器在不同环境下的测试效率及通用性。

Abstract

The lead wire testing method is the main method for conducting shock wave overpressure testing by connecting long cables to the sensors of the device under test. During the testing process， the cable status needs to be checked multiple times， resulting in long testing preparation time. Additionally， the device under test usually uses a single constant current source， which makes it difficult to adapt to the testing needs of cables of different lengths in multiple scenarios. A conditioning circuit suitable for long-distance cable transmission has been designed to address the above issues. This circuit can not only detect the on/off status of the transmission cable， but also change the driving current of the sensor according to the length of the on-site transmission line， thereby ensuring signal accuracy. Tests have shown that the designed circuit can accurately determine the on/off status of cable lines， and can be visually displayed through the upper computer. Based on ensuring the accuracy of signal conditioning， it realizes the adjustable constant current source within the range of 0~20 mA， effectively improving the testing efficiency and universality of the instrument in different environments.

Graphical abstract

关键词

冲击波超压测试 / 长线缆传输 / 信号调理 / 通断检测 / 恒流源可调

Key words

shock wave overpressure test / long cable transmission / signal-conditioning / on/off detection / adjustable constant current source

0 引　言

目标靶毁伤参数测试是评价武器系统性能的有效手段， 武器毁伤威力主要来源于爆炸产生的高温、 破片以及冲击波， 其中爆炸冲击波作为爆炸毁伤在中远距离上的主要伤害来源是毁伤威力测试的重中之重^［1］。现阶段冲击波测试主要有引线电测法和存储测试法两种， 两者主要区别在于测试过程中是否采用长线缆传输^［2］。为了提高测试时效性， 在地面常规试验中， 引线电测法应用较广^［3］， 该方法通常将测试仪器放置于离爆心较远的安全位置， 并通过多条长电缆线将仪器的多个采集通道与传感器连接， 由于电缆线本身不易防护， 爆炸产生的冲击波及破片极易导致传输线缆断裂^［4］。常规操作需在每次测试前后人为检查传输线缆状态， 这种方式存在工作量大， 效率低， 检测结果可靠性差等问题； 同时， 长线缆传输中线缆电容会影响频率响应， 在传输线缆较长的情况下， ICP传感系统会因驱动电流不足导致信号畸变^［5］， 影响设备最终测量结果的准确性。

针对上述问题， 通过长线缆传输对信号传输的影响机理分析， 提出了一种适用于长线缆传输条件下的调理电路， 在传统ICP型传感器调理电路的基础上增加通断检测及恒流源可调功能， 从而解决引线电测法中因长线缆传输带来的测试效率低和信号畸变问题。所提出的方案简化了引线电测法中测试准备的流程， 提高了测试环节的工作效率， 确保了冲击波超压信号的完整性。

1 长线缆传输对信号传输的影响

冲击波超压测试中常选用ICP型传感器对信号进行采集， 相较于其他压电传感器， 其内部集成了电荷放大器等高阻抗电路， 并以低阻抗电压的形式输出， 从而避免低噪声电缆问题， 可利用同轴线缆进行远距离传输， 用于各种恶劣环境下的现场测试^［6］。在引线测试法中， 导线长度l与冲击波超压信号波长λ满足长线理论： l>\lambda /\mathrm{10}^［7］， 此时， 导线上沿线的电压、 电流随时间和位置不断变化， 导线等效于由多个四端口网络连接而成的分布参数系统。通常情况下， 冲击波超压信号频率主要集中在60 kHz以下， 对于频率小于1 GHz的线缆， 可假设传输线的并联电导忽略不计， 此时传输线等效电路^［8］如图 1 所示。

图 1 中， R_C为传输线串联电阻， L_C为传输线串联电感， C_C为传输线并联电容， 该电路输入输出函数H_C为

H_C=\frac{\mathrm{1}}{L_C{C}_C{s}^{\mathrm{2}}+R_C{C}_{C}s+\mathrm{1}}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}-\frac{w^{\mathrm{2}}}{w_n^{\mathrm{2}}}+\mathrm{j}\mathrm{2}{\epsilon }_e\frac{w^{\text{'}}}{w_n}}\mathrm{。}（1）

以RG-58/U同轴线缆为例， 其单位长度的电路特性参数为： L_{C_{\mathrm{0}}}=2.58\times10^-7 H/m， C_{c_{\mathrm{0}}}=100 pF/m， R_{c_{\mathrm{0}}}=0.35 Ω/m， 由式（1）可得， 不同长度传输线缆幅频及相频特性曲线如图 2 所示。

由图 2 可见， 随着传输线缆长度的增加， 其自身可通过信号的上限截止频率减小而幅度基本不变。产生这种现象的主要原因在于， 同轴线缆的芯线与其金属屏蔽层之间存在电缆电容， 大小与传输线长度呈正比。当信号通过电缆时， 电缆电容会进行充放电过程， 由于电路中电流的限制， 放大电路没有足够的电压来保持其转换速率， 导致信号波形畸变^［9］。

若在传输线缆上施加随时间变化的电流

i(t)=I\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\mathrm{2}\mathrm{\pi }ft),（2）

则传输线缆电压为

v\left(t\right)=\frac{\mathrm{1}}{C}\int i\left(t\right)\mathrm{d}t=\frac{I}{\mathrm{2}\mathrm{\pi }fC}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(\mathrm{2}\mathrm{\pi }ft)\mathrm{。}（3）

当选定恒定电流电平时， 传感器的最大带宽同电缆电容以及输出峰值电压的关系为

f_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\frac{{\mathrm{10}}^{\mathrm{9}}}{\mathrm{2}\mathrm{\pi }{V}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}C(I_C-\mathrm{1})},（4）

式中： f_max为传感器的最大频率， Hz； V_max为传感器最大峰值电压输出， V； I_C 为恒定电流， mA； 1表示ICP型传感器本身供电电流。依上式， 选取不同长度电缆与0~20 mA驱动电流依次组合实验， 取传感器最大输出电压5 V， 可得不同长度电缆即不同容值同驱动电流与线缆可通过信号最大频率曲线如图 3 所示。

从图示得出， 传感器的最大带宽与驱动电流成正比， 与电缆电容成反比。因此， ICP传感器的恒流源应随电缆长度的改变而改变， 以此保证传输信号的准确性。

此外， 在现场测试过程中， 弹药发生爆炸时产生的冲击波、 破片等产物急速向四周扩张， 传输线缆在经受着较大瞬态压力的同时， 面临着被破片击中的风险， 从而造成线缆的不可重复使用。通常在测试前后需对线缆状态进行人工筛查。然而， 人工检查方式往往耗费大量时间， 难免会出现疏漏。因此， 需要采用更高效准确的方法来检查线缆状态， 以确保信号传输的稳定和可靠性。

综上所述， 长传输线缆的使用主要从两个方面对测试结果造成影响： 1） 线缆的通断状态会影响测试效率； 2） 线缆内部存在电缆电容， 随长度的增加， 传感器所需驱动电流增大， 同时也影响着信号传输的最大频率， 造成采集信号的丢失及畸变。

2 关键技术实现

2.1 通断检测电路设计

基于上述线缆通断造成测试效率低、 易发生信号丢失等问题， 本文设计线缆通断检测电路， 通过硬件电路辅助检查的方式， 节约了测试准备时间， 提高了检测的可靠性。线缆通断检测电路设计如图 4 所示。

设计选用双路电压比较器， 其内部集成的两个独立的电压比较器方便电路设计， 节省布局空间。输出电平无需进行转换， 可直接由MCU读取。比较器1、 2的正负输入端连接在一起并通过分压电阻与传感器接口相连， 其电压为V_a， 另外两个输入端提供开路基准电压V_b 及短路基准电压V_c。比较器通过将V_a 同V_b 、 V_c 两个基准电压进行比较从而输出相应状态的电平， 由后端MCU采集处理， 并显示到上位机完成信息交互。电压比较器输入输出状态关系如表 1 所示。

2.2 可调恒流源调理电路设计

2.2.1 电路总体设计

ICP传感器的输出不能直接由ADC进行采集， 需经过恒流恒压源为其供电^［10］。传统调理电路恒流源输出固定， 不利于测试系统在不同测试环境下的便捷使用， 系统通用性较低； 同时， 其通频带较窄（100 kHz）， 易导致信号失真， 无法满足本系统应用需求。针对如上问题， 本文提出一种可调恒流源调理电路设计思路， 该电路可经后端上位机控制电流输出值， 实现不同应用场景下的电流源功能扩展， 增加其通用性。可调电路恒流源信号调理框图及信号链电平如图 5 所示。

可调恒流源调理模块由恒压恒流源、 分压器、 交流耦合、 双运算放大器以及全差分放大器构成。由前文所述， ICP型传感器需要恒流源驱动才能运行， 大小与线缆长度相关， 因此， 本设计通过DAC控制恒流源的输入电压从而实现可控恒流源， 保证了传感器的正常工作。ICP型传感器输出最大信号电平为±10 V， 并带有8~14 V的直流分量。耦合电容与比例为10∶1的电阻分压器串联， 将信号降至±1 V。双运算放大器用于增益级和共模缓冲器， 放大有效信号， 调整阻抗， 为交流信号提供与ADC基准电压相同的偏置电压且增益为2， 输出大小为（2.5±2） V信号。全差分放大器将单端信号转换为差分信号， 提高输出信号的抗干扰能力， 并将信号继续放大2倍， 差分放大器的输出共模也设置为2.5 V， 最终放大器的最大差分输出为±4 V并传输至ADC进行处理。

2.2.2 可调恒流源设计

为降低不同测试环境下使用不同长度线缆对信号传输的影响， 提出了可调恒流源的设计方案， 本方案通过DAC将数字量转换成电压作为改进型Howland恒流源的输入端， 从而实现由MCU控制电流大小的可调恒流源， 保证了测试系统的实用性， 具体电路设计如图 6 所示。

改进型Howland恒流源是由差分放大器在分流电阻上施加电压的电路， 从而产生能够驱动大范围负载的双极性压控恒流源。相比于传统Howland恒流源电路， 改进型电路额外增加了一个运算放大器构成电压跟随电路， 从而改进了电流源输出阻抗， 几乎消除了反馈电流， 以驱动正反馈回路， 这样在设计中便可在R₁~R₄选取上使用较小阻值， 从而避免因大电阻和寄生电容导致的带宽限制以及稳定性降低等问题， 降低热噪声。在设计中保证电阻有如下关系R₁/R₂=R₃/R₄， 因此， 改进型Howland恒流源输出电流i₀ 可由式（5）表示。

i_{\mathrm{0}}=\frac{u_{\mathrm{i}\mathrm{n}+}-u_{\mathrm{i}\mathrm{n}-}}{R_{\mathrm{0}}}\mathrm{。}（5）

由上式可知恒流源输出电流i₀ 与输入电压u_in+-u_in- 成正比关系， 在分流电阻R₀确定的情况下， 其大小仅取决于输入电压值。根据改进型Howland恒流源这种输入输出特性， 设计中使用DAC将数字量转换成电压作为恒流源输入从而达到精准控制恒流源输出电流大小的目的， 其电压输出范围可依下式计算。

V_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}=\frac{DAC\_data}{{\mathrm{2}}^N}\times V_{\mathrm{R}\mathrm{E}\mathrm{F}\mathrm{I}\mathrm{N}},（6）

式中： N为DAC位数； DAC_data为MCU加载到DAC寄存器中二进制数的十进制等效值； V_{\mathrm{R}\mathrm{E}\mathrm{F}\mathrm{I}\mathrm{N}}为参考电压， 设计中为5 V， 因此设计中DAC可在0~5 V电压范围内可调。

2.2.3 交流耦合

ICP传感器的低频响应主要与传感器放电时间常数以及信号调理电路中的耦合电容两个因素相关^［11］， 直流耦合会产生零漂问题， 因此大多数调理电路中采用交流耦合。设计选用1 μF钽电容实现交流耦合， 通过隔直通交的特性滤除直流分量。此电容后面连接一个串联电阻， 形成一个截止频率低于1 Hz的高通滤波器， 决定信号调理模块输出下限截止频率。

2.2.4 双运算放大器

设计选用双运算放大器用于增益级和共模缓冲器， 电路如图 7 所示。双运算放大器一端以电压跟随器的方式连接， 其输出端与运算放大器相连， 使得电压跟随电路的输入阻抗极大而输出阻抗极小， 由于系统均为单电源供电， 运放电源轨输入范围为0~5 V， 为防止波形失真， 电压跟随器输出2.5 V基准电压加至交流耦合后， 在提高带负载能力的同时， 使后端信号均以2.5 V电压基准进行转换， 保证信号完整性。

2.2.5 全差分放大器

设计选用全差分放大器作为单端至差分转换器， 不仅具有放大信号的作用， 还可以增强器件驱动能力以驱动ADC， 此外该器件还用作低通滤波器以将输入带宽限制为200 kHz与ADC输入范围相匹配， 有助于抑制不需要频带上的噪声信号从而提高信噪比， 设计电路如图 8 所示。芯片的V_cm引脚用于设置放大器的输出共模电压， 满足ADC输入电压范围的需求， 更好地利用ADC的动态范围， 其值可由下式确定。

V_{\mathrm{c}\mathrm{m}}=\frac{V_{REF}}{\mathrm{2}},（7）

式中： V_REF为ADC的满量程输入， V。设计中将V_cm引脚设置为2.5 V。电阻R₂₈， R₁₄系统增益的值分别设定为2k及1k， 既能提供全差分放大器所需增益， 又能限制通过反馈网络的电流， 从而最大限度降低系统的功耗。在差分输出端各串联一个阻值尽可能小的电阻， 该电阻与负载电容构成一阶低通滤波器， 可以降低容性负载与引脚电感反应导致脉冲响应中出现高频振荡和相位余量不足造成的影响。

差分放大器通过调节R₁₄、 C₁₀阻容值的大小决定上限截止频率， 冲击波信号的最高频率能够达到100 kHz左右， 测试系统采样频率设置为1 M， 满足奈奎斯特采样定律， 然而在实际工程中由于各种因素影响不能达到上述理想情况， 因此， 要求采样频率应为被采信号最大频率的5~10倍。本设计中选取截止频率为200 kHz， 既满足ADC的输入频率范围， 又能保证实际使用中信号不失真， 从而很好地消除冗余频段下的噪声。电阻电容与上限截止频率f_c的关系为

C_{\mathrm{10}}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\mathrm{\pi }{f}_c{R}_{\mathrm{14}}}\mathrm{。}（8）

由上可知， 本设计中的可调恒流源调理电路硬件均选用基本运放及成熟芯片， 其输出范围为0~20 mA， 通频带为200 kHz， 可同时满足冲击波超压测试多通道数据采集系统对多路不同输入值恒流源的需求， 相比传统固定恒流源供电方式， 该设计具有结构简单和低成本特点， 且具有良好的通用性、 便捷性和集成度。

3 系统性能测试与分析

3.1 调理电路仿真测试

使用Tina-TI对设计调理电路进行仿真验证， 仿真电路如图 9 所示。通过仿真对通断检测， 对可调恒流源输出、 信号链电平以及最终输出信号频谱图进行测试。

通常情况下ICP传感器需要2~20 mA恒流源供电才能正常工作^［12］。对恒流源输出进行仿真， 在输入端施加DAC最大输出电压5 V， 其仿真结果如图 10 所示， 表明恒流源最大输出可达20 mA， 符合预期设计， 满足现场测试过程中不同线缆长度对驱动电流的要求。

通过虚拟示波器对调理电路中的关键电压节点进行信号测量， 测试电压随时间变化结果如图 11 所示。其中VF1~6分别对应图 6 中理论信号链电平， 从仿真结果可知， 设计电路能够完成预期设计电平调理需求。

最后对电路进行交流传输特性分析， 验证其是否能完成预计调理功能， 其输出信号频谱图如图 12 所示。从图中可知， 调理电路在-3 dB增益处的频率约为192.89 kHz， 满足上文论证中所要求的200 kHz截止频率。

3.2 调理电路现场测试

在上述通断检测仿真基础上， 进行实际测试， 人为制造线缆开路、 短路、 导通三种状态， 并将准备好的线缆依次连接至测试装置的各通道， 其中1， 2通道对应的线缆为正常状态， 3、 4、 5通道不连接传感器模拟开路状态， 6、 7、 8通道将线缆内部铜线短接模拟短路状态， 装置启动后自检并通过上位机反馈线缆状态信息， 如图 13 所示。实验表明测试装置能够较好地反馈测试线缆的实际状态， 达到设计预期目标。

使用信号发生器代替ICP型传感器通过长线缆连接至设备， 通过上位机改变驱动电流值并显示当前输出信号波形。信号发生器输出信号幅值定为（10±10） V， 频率由10 kHz不断递增， 根据上文理论分析， 在最大输出信号截止频率满足大于冲击波超压信号主要频率范围的前提下， 选取合适恒流源， 观察上位机输出波形是否完整。试验结果如表 2 所示， 在现场测试中可按照表中参考数值选取系统驱动电流。

同时， 为验证整体电路系统的可靠性及实用性， 进行某型号车载火炮冲击波超压测试实验。测试中火炮装药量为42.7 g， 水平设计靶板， 射击高度1 m， 将传感器置于钢制外壳构成测量节点并埋于距爆心3、 4、 5 m位置处， 节点通过同轴线缆与远端掩体内的设备相连， 为验证可调恒流源功能， 分别使用100、 200、 300 m长度线缆进行测试并选取相应恒流源， 将测试结果经Matlab分析处理， 其结果如图 14 所示。

试验结果表明在选取合适大小的驱动电流时， 不同长度传输线缆下测得的冲击波超压信号符合理想冲击波信号特征且数据未出现畸变， 幅值误差较小， 表明设计电路能够完成对驱动电流源的调整， 具有良好的应用价值。

4 结　语

本文针对引线测试法中长传输线在现场测试环境下出现的测试效率低、 信号传输易发生畸变等关键问题， 设计了一种满足通断检测及恒流源可控功能的信号调理电路， 该调理电路主要由通断检测、 可控恒流源、 交流耦合、 双运算放大以及全差分放大5个主要部分构成， 在满足ICP型传感器输出调理的基础上， 实现了对线缆状态的查询显示以及针对不同长度电缆的恒流源调节。通过模拟仿真及现场测试的方式， 验证了电路的可靠性及实用性， 设计可准确判断电缆线通断状态， 并通过上位机进行可视化显示。同时， 在满足信号调理需求的基础上， 实现了恒流源在0~20 mA范围内可调。该电路设计方案为冲击波超压测试提供了一种全新的设计思路， 具有一定的工程价值及研究意义， 具备广阔的应用前景。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(62101513)