光幕靶用大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

李 敬，田 會(huì)，王文潔，張 輝

(1.西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安 710021； 2.黑龍江北方工具有限公司，黑龍江 牡丹江 157000)

0 引言

各類身管武器及其彈藥在研制和生產(chǎn)過程中，為有效評(píng)判該類武器的效能，需準(zhǔn)確測(cè)量發(fā)射彈丸在預(yù)定位置的飛行速度[1-4]，非接觸式區(qū)截測(cè)速裝置具有布設(shè)操作簡(jiǎn)便、使用成本低、可連續(xù)測(cè)試等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已完全替代傳統(tǒng)的鋼板靶、銅絲斷靶等接觸類測(cè)速設(shè)備。在區(qū)截測(cè)速裝置中，光幕靶是一類代表性設(shè)備[5-8]，自帶人工光源，通過探測(cè)彈丸穿過探測(cè)幕面時(shí)引起光通量的變化量，通過信號(hào)處理電路，實(shí)時(shí)輸出彈丸過幕信號(hào)，利用測(cè)時(shí)儀或數(shù)據(jù)采集儀測(cè)量彈丸穿過兩個(gè)光幕輸出信號(hào)的時(shí)間，并計(jì)算出彈丸速度。光幕靶具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)速精度高等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已在兵器生產(chǎn)企業(yè)得到廣泛應(yīng)用[9-12]。光幕靶輸出的彈丸過幕信號(hào)幅值與彈丸直徑密切相關(guān)，隨著彈丸直徑的增大，其穿過光幕時(shí)遮擋的光能量增加，引起光電探測(cè)器件輸出的光電流變大，采用固定增益的信號(hào)處理電路輸出的過幕信號(hào)幅值極易出現(xiàn)飽和，引起信號(hào)在下降過程中出現(xiàn)過沖，從而導(dǎo)致信號(hào)波形發(fā)生畸變，最終導(dǎo)致時(shí)間測(cè)量出現(xiàn)較大偏差，試驗(yàn)失效。雖有研究者提出將光幕靶的探測(cè)靈敏度分為2～3檔，以適應(yīng)不同的彈徑，但該方法需要切換內(nèi)部電路的增益系數(shù)，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)自激[13-15]。本文針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)一種光幕靶用對(duì)數(shù)放大電路，采用對(duì)數(shù)放大原理放大彈丸過幕信號(hào)，確保各種口徑彈丸信號(hào)幅值均在信號(hào)處理電路允許的范圍內(nèi)，提高信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。

1 兩類光幕靶式光幕工作原理分析

探測(cè)光幕作為光幕靶的重要組成部分，功能是感應(yīng)彈丸過幕時(shí)物理狀態(tài)，輸出彈丸過幕信號(hào)，為時(shí)間測(cè)量提供依據(jù)。光源的光經(jīng)光闌進(jìn)入接收裝置的光電探測(cè)器件，光闌與接收裝置的共同作用，在光源與接收裝置之間形成一個(gè)具有一定厚度的薄型光幕面，稱之為光幕。目前應(yīng)用較為廣泛的光幕靶按照光幕實(shí)現(xiàn)形式主要分為兩類：LED線陣列光源配合線陣列光電接收器件構(gòu)成的矩形探測(cè)光幕，一字線型激光器發(fā)射的激光束經(jīng)原相反射膜反射后被面型光電探測(cè)器接收構(gòu)成的扇形探測(cè)光幕。

1.1 矩形探測(cè)光幕

矩形探測(cè)光幕構(gòu)成如圖1所示，光源采用直線型LED線陣列光源，接收裝置為由光電二極管拼接成直線型線陣列探測(cè)陣列。光源與探測(cè)器件之間形成有效探測(cè)矩形探測(cè)光幕。彈丸從矩形光幕內(nèi)任意位置穿過時(shí)，遮擋了部分進(jìn)入光電探測(cè)器件的光能量，利用光電轉(zhuǎn)換原理，探測(cè)器件輸出微弱變化的電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理電路后輸出彈丸過幕信號(hào)，包括有模擬過幕信號(hào)和脈沖信號(hào)，可根據(jù)具體使用要求選擇相應(yīng)的信號(hào)。放大電路輸出的模擬信號(hào)可進(jìn)行放大驅(qū)動(dòng)后輸出，該信號(hào)可用示波器進(jìn)行觀察，也可通過信號(hào)采集儀記錄以作進(jìn)一步的分析。

圖1 矩形探測(cè)光幕的典型構(gòu)成方式

同一直徑的彈丸在幕面內(nèi)任意位置穿過時(shí)，引起光通量的變化量相同，輸出信號(hào)幅值跳動(dòng)范圍不大，也即彈丸信號(hào)幅值與彈丸過幕位置無(wú)關(guān)。隨著彈丸直徑增大時(shí)，穿過光幕時(shí)遮擋的光能量增加，光電探測(cè)器件輸出電信號(hào)增大，經(jīng)固定增益的放大電路后，模擬信號(hào)幅值增大。隨彈丸直徑不斷增加，模擬信號(hào)幅值易出現(xiàn)信號(hào)飽和，彈丸過幕時(shí)間提取算法計(jì)算兩個(gè)過幕信號(hào)時(shí)間時(shí)易出現(xiàn)測(cè)量誤差，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)速精度下降。

1.2 扇形探測(cè)光幕

扇形探測(cè)光幕構(gòu)成如圖2所示，主要由激光器、原相反射膜和面型光電探測(cè)器件組成。激光器包括激光器發(fā)射裝置和光學(xué)系統(tǒng)組件，激光器發(fā)射的光線經(jīng)聚焦、準(zhǔn)直與柱透鏡變成一字線型激光束，穿過小孔形成扇形光幕，入射到原相反射膜上，其反射光束被位于激光器同側(cè)的面型光電探測(cè)器件接收。彈丸從扇形光幕內(nèi)任意位置穿過時(shí)，遮擋部分激光光線，引起面型光電探測(cè)器件接收到的光能量發(fā)生變化，經(jīng)信號(hào)處理電路輸出彈丸過幕電信號(hào)。

圖2 扇形探測(cè)光幕構(gòu)成

根據(jù)扇形光幕形成的原理可知，當(dāng)彈丸從距離激光器不同高度的位置穿過時(shí)，彈丸遮擋的激光束在反射膜上形成的陰影像大小存在差異，引起探測(cè)器件接收到光能量的變化量不同，因此輸出信號(hào)幅值存在差異。彈丸過幕位置越靠近激光器，彈丸在反光膜上成的陰影像越大，輸出的過幕信號(hào)幅值越大，反之信號(hào)幅值越小。過幕信號(hào)經(jīng)固定增益放大電路后易出現(xiàn)信號(hào)飽和或者信號(hào)太微弱現(xiàn)象，同樣原理會(huì)引起過幕時(shí)間測(cè)量誤差增大，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)速誤差增大。

為了提高光幕靶的測(cè)速精度，研究了大動(dòng)態(tài)范圍的光幕靶用信號(hào)處理電路，采用對(duì)數(shù)放大原理，在保持原信號(hào)基本幅頻特性基礎(chǔ)上擴(kuò)大光幕靶測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍，能夠滿足各種口徑彈丸的速度測(cè)量要求。

2 光幕靶用對(duì)數(shù)放大電路設(shè)計(jì)

在電子電路中，電子元器件的輸入輸出信號(hào)特性都有一定的范圍限制，且輸入輸出具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在電子元器件輸出范圍確定的情況下，要測(cè)量更大范圍的輸入信號(hào)，就要提高輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，即將大范圍輸入信號(hào)壓縮成電子元器件能測(cè)量的小范圍信號(hào)。而對(duì)數(shù)關(guān)系，正好滿足這個(gè)條件。對(duì)數(shù)放大器的特點(diǎn)[16]：1)輸入輸出信號(hào)呈對(duì)數(shù)關(guān)系，且一一對(duì)應(yīng)；2)動(dòng)態(tài)壓縮，將大動(dòng)態(tài)輸入信號(hào)壓縮成小動(dòng)態(tài)的輸出信號(hào)，且自動(dòng)調(diào)節(jié)增益；3)信號(hào)瞬時(shí)處理。理想的對(duì)數(shù)放大器是輸出信號(hào)幅度與輸入信號(hào)幅度呈對(duì)數(shù)關(guān)系，而實(shí)際對(duì)數(shù)放大器具備線性和對(duì)數(shù)放大功能。弱信號(hào)時(shí)，是一個(gè)線性放大器，增益較大；隨信號(hào)增強(qiáng)，變成一個(gè)對(duì)數(shù)放大器，增益隨輸入信號(hào)的增加而減小。

2.1 對(duì)數(shù)放大電路特性

當(dāng)前級(jí)放大電路輸出的彈丸過幕信號(hào)較為微弱時(shí)，后級(jí)放大電路需要進(jìn)行較高的放大增益，確保輸出的信號(hào)能夠有效地從噪聲中分離出來(lái)；當(dāng)前級(jí)放大電路輸出信號(hào)幅值較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)?shù)亟档秃蠹?jí)放大電路的增益，確保輸出信號(hào)幅值不飽和。該特性與對(duì)數(shù)放大電路的特性相吻合，圖3為對(duì)數(shù)放大電路的輸入-輸出幅度特性曲線。在線性放大區(qū)，輸入信號(hào)幅度較低，增益高且恒定，輸出信號(hào)幅度呈線性增大；在對(duì)數(shù)放大區(qū)，隨輸入信號(hào)幅度增加，增益逐漸減小，促使輸出信號(hào)幅度隨之呈對(duì)數(shù)增大?？蓪?shí)現(xiàn)低輸入高增益放大輸出，高輸入低增益放大輸出，避免信號(hào)太微弱以及強(qiáng)信號(hào)引起的信號(hào)飽和。

圖3 對(duì)數(shù)放大電路輸入-輸出幅度特性

由于對(duì)數(shù)放大電路具有上述特性，在應(yīng)用光幕靶信號(hào)處理電路中，可對(duì)小尺寸彈丸輸出的信號(hào)進(jìn)行高增益放大，對(duì)大尺寸彈丸進(jìn)行低增益放大。

圖4為基于對(duì)數(shù)放大電路的光幕靶信號(hào)處理電路框圖，在原有光幕靶信號(hào)處理電路基礎(chǔ)上增加對(duì)數(shù)放大電路，使原有固定增益放大轉(zhuǎn)為根據(jù)彈丸口徑自動(dòng)調(diào)節(jié)增益放大。本論文僅對(duì)對(duì)數(shù)放大電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，其余電路均采用原有光幕靶用電路。

圖4 光幕靶信號(hào)處理電路框圖

2.2 對(duì)數(shù)放大器分類

根據(jù)對(duì)數(shù)放大器原理不同，對(duì)數(shù)放大器分為兩類：真對(duì)數(shù)放大器和似對(duì)數(shù)放大器。真對(duì)數(shù)放大器分為跨到線性放大器和電壓對(duì)數(shù)放大器，似對(duì)數(shù)放大器分為基帶對(duì)數(shù)放大器和解調(diào)對(duì)數(shù)放大器。

2.2.1 真對(duì)數(shù)放大器

利用二極管或者三極管的工作特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)放大，稱為跨導(dǎo)線性對(duì)數(shù)放大器；電壓對(duì)數(shù)放大器采用RC電路充放電時(shí)電壓與時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律變化的原理，由于電路復(fù)雜，對(duì)溫度環(huán)境要求較高，實(shí)際應(yīng)用較少。隨集成電路的發(fā)展，跨導(dǎo)線性對(duì)數(shù)放大器趨向集成化，采用差分輸入消除二極管或三極管的反向飽和電流，以提高對(duì)數(shù)準(zhǔn)確度，增加集成芯片的抑噪聲能力。真對(duì)數(shù)放大器適用于輸入信號(hào)為緩變信號(hào)的電路，在高頻輸入信號(hào)時(shí)，誤差較大。

2.2.2 似對(duì)數(shù)放大器

似對(duì)數(shù)放大器能夠處理高頻信號(hào)，但放大單元不具備對(duì)數(shù)關(guān)系，采用多個(gè)限幅器串聯(lián)級(jí)聯(lián)或并聯(lián)級(jí)聯(lián)后求和，以達(dá)到對(duì)數(shù)放大的目的?；鶐?duì)數(shù)放大器將輸出直接累加，而解調(diào)對(duì)數(shù)放大器需要檢波后輸出累加。

實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)數(shù)放大器越來(lái)越集成化，市場(chǎng)出現(xiàn)許多集成對(duì)數(shù)放大器芯片，根據(jù)對(duì)數(shù)放大的對(duì)象，可分為電壓型對(duì)數(shù)放大器和電流型對(duì)數(shù)放大器，后文根據(jù)對(duì)應(yīng)對(duì)數(shù)放大器芯片分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 對(duì)數(shù)放大器關(guān)鍵性能指標(biāo)

2.3.1 動(dòng)態(tài)范圍

對(duì)集成芯片來(lái)說，其輸入輸出都有一定的范圍。輸入不能太小，也不能過大。輸入信號(hào)過小，集成芯片可能被噪聲淹沒而檢測(cè)不到；輸入信號(hào)過大，集成芯片的輸出信號(hào)會(huì)飽和，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系不成立，故將器件允許輸入信號(hào)的最大最小值的范圍稱為動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)數(shù)放大電路動(dòng)態(tài)范圍如式(1)：

(1)

式中，INmax為有效輸入最大電壓值；INmin為有效輸入最小電壓值。

2.3.2 帶寬

在電子電路中，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的關(guān)系與輸入信號(hào)的頻率有關(guān)。放大電路中，輸入信號(hào)低于下限截止頻率時(shí)，電路中容抗很大，輸出較?。惠斎胄盘?hào)大于上限截止頻率時(shí)，電路感抗很大，電路放大倍數(shù)較小，輸出較?。辉谥蓄l段，電路放大倍數(shù)最大。在對(duì)數(shù)放大器中，輸入信號(hào)經(jīng)對(duì)數(shù)變換后幅度減小，如果用恒定輸入信號(hào)而輸出信號(hào)下降3 dB的頻率間隔為帶寬，不能反映對(duì)數(shù)放大器的頻率特性，需采用恒定輸出而輸入下降3 dB時(shí)的頻率間隔作為對(duì)數(shù)放大器的帶寬。

2.4 電壓型對(duì)數(shù)放大電路設(shè)計(jì)

圖5為設(shè)計(jì)的電壓型對(duì)數(shù)放大電路，對(duì)數(shù)放大芯片采用TI公司的對(duì)數(shù)放大器TL441，該芯片利用四級(jí)完全相同的差動(dòng)放大器，每個(gè)差動(dòng)放大器放大30 dB。該圖為電壓型對(duì)數(shù)放大芯片TL441的完整接法，整體電路理論增益可達(dá)120 dB。實(shí)際工作中，輸入電壓范圍一般大于80 dB，對(duì)數(shù)線性度為±0.5 dB，帶寬從直流到40 MHz，輸入端采用差分輸入，可有效抑制共模噪聲。為了處理微弱電平到+10 dB的高電平信號(hào)，U7-9腳和U7-12腳輸入單元需接前置放大器，即U5和U8運(yùn)放模塊。輸入信號(hào)IN1直接送給U7-4腳，并經(jīng)分壓電阻R3后與U7-7腳連接。U5運(yùn)放模塊的輸出信號(hào)送給U7-12腳和U8-3腳，U8-6腳輸出送給U7-9腳，輸出電壓信號(hào)Y、Z通過加法器U6運(yùn)放模塊相加輸出Vout。

圖5 電壓型對(duì)數(shù)放大芯片電路連接圖

2.5 電流型對(duì)數(shù)放大電路設(shè)計(jì)

圖6為電流型對(duì)數(shù)放大芯片電路連接圖，主芯片為TI公司生產(chǎn)的電流型對(duì)數(shù)放大器LOG112。該芯片特點(diǎn)：1)基準(zhǔn)電壓為2.5 V；2)輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍為100 pA～3.5 mA；3)靜態(tài)電流：1.75 mA；4)電源電壓：±18 V。運(yùn)算放大器OPA380將PIN型光電二極管的光電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過電阻轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)(IN1)輸入至U1-1腳。IN2是直接由精度電壓參考芯片D1和精密電阻提供，以提高檢測(cè)的精確度。為了降低電源線引線電感的影響，在芯片的供電管腳6和9分別對(duì)地連接去耦電容。輸入電流信號(hào)由電流對(duì)數(shù)放大器LOG112進(jìn)行對(duì)數(shù)放大后通過5腳VLogout輸出，連接至后續(xù)電壓放大電路的輸入端。該芯片5腳具有對(duì)數(shù)變化的特性，作為后級(jí)放大的輸入，可根據(jù)式(2)計(jì)算對(duì)數(shù)放大的總輸出幅值。

圖6 電流型對(duì)數(shù)放大芯片電路連接圖

電流型對(duì)數(shù)放大電路的輸出關(guān)如式(2)：

VLOGOUT=0.5×log(IN1/IN2)

(2)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的對(duì)數(shù)放大電路工作特性，采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生不同幅值的正弦波的正半周期作為輸入信號(hào)(Sig1)，該信號(hào)與光幕靶前級(jí)放大電路輸出信號(hào)特性相似，Sig1通過對(duì)數(shù)放大電路放大后輸出為輸出信號(hào)(Sig2)，兩路信號(hào)用示波器進(jìn)行波形比較，并導(dǎo)出波形至Matlab進(jìn)行曲線擬合。為驗(yàn)證對(duì)數(shù)放大電路測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)Sig1經(jīng)過信號(hào)衰減器進(jìn)行衰減后的信號(hào)為Sig2，再通過對(duì)數(shù)放大電路進(jìn)行放大后輸出的信號(hào)為Sig3，利用示波器同步采集三路信號(hào)，并分析其幅頻特性。

3.1 對(duì)數(shù)特性測(cè)試

電路測(cè)試如圖7所示，信號(hào)發(fā)生器(輸入信號(hào))和光幕靶用對(duì)數(shù)放大電路(輸出信號(hào))兩路信號(hào)同時(shí)送給示波器，進(jìn)行波形比較。

圖7 對(duì)數(shù)特性測(cè)試框圖

由信號(hào)發(fā)生器輸出單次正半周期正弦波，用示波器觀察經(jīng)光幕探測(cè)器用對(duì)數(shù)放大電路后的輸出信號(hào)波形。兩路信號(hào)波形如圖8所示，X軸為采樣時(shí)間，Y軸為輸入/輸出幅度。第一幅圖是信號(hào)發(fā)生器的輸出波形，第二幅圖是光幕探測(cè)器用對(duì)數(shù)放大電路輸出的信號(hào)波形。將兩路信號(hào)波形導(dǎo)入Matlab并統(tǒng)一坐標(biāo)，得到擬合曲線如圖9所示，X軸表示輸入信號(hào)Sig1，即圖8第一幅圖，Y軸表示光幕靶用對(duì)數(shù)放大電路的輸出信號(hào)Sig2。從圖中可看出，輸入信號(hào)與輸出信號(hào)呈對(duì)數(shù)關(guān)系。

圖8 輸入與輸出信號(hào)幅值波形

圖9 輸入輸出擬合曲線

由于在Matlab中無(wú)法直接進(jìn)行對(duì)數(shù)關(guān)系數(shù)學(xué)擬合，將輸入與輸出信號(hào)進(jìn)行線性處理后，再通過軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)擬合，得到輸入與輸出幅度的擬合函數(shù)。根據(jù)對(duì)數(shù)放大電路的輸出與輸入的對(duì)數(shù)成正比的特點(diǎn)，將圖9曲線進(jìn)行線性擬合，其結(jié)果如圖10所示，并得到線性擬合曲線函數(shù)如式(3):

Vout=15(0.229 9log(Vin×6.6)+0.929 4)

(3)

圖10 處理后的擬合曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，光幕靶用對(duì)數(shù)放大電路的輸入輸出擬合曲線直觀上表明對(duì)數(shù)放大電路的對(duì)數(shù)特性，其擬合函數(shù)進(jìn)一步證明電路具有對(duì)數(shù)特性設(shè)計(jì)的光幕靶用電壓型對(duì)數(shù)放大電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)壓縮。

3.2 電路動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試

將信號(hào)發(fā)生器(輸入信號(hào))、信號(hào)衰減器和光幕靶用對(duì)數(shù)放大電路(輸出信號(hào))三路信號(hào)送給示波器，進(jìn)行波形對(duì)比，動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試如圖11所示。

圖11 電路動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試框圖

信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的輸入信號(hào)幅值不變，改變衰減器的衰減值，經(jīng)電壓型對(duì)數(shù)放大電路后輸出信號(hào)Sig3，即對(duì)數(shù)放大輸出信號(hào)，示波器同時(shí)接收Sig1、Sig2、Sig3三路信號(hào)進(jìn)行信號(hào)幅值比較，并記錄各自幅值，為計(jì)算輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍提供依據(jù)。表1為三路信號(hào)在示波器中的輸出幅值，衰減值體現(xiàn)了對(duì)數(shù)放大電路的測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍大小。

表1 電路動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試結(jié)果

分析測(cè)試數(shù)據(jù)，最大輸入電壓為140 mV，最小電壓為3.7 mV，根據(jù)式(1)可知，該電壓型對(duì)數(shù)放大電路的實(shí)際測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍為31.5 dB，該范圍已滿足各口徑彈丸的速度測(cè)量。證明了設(shè)計(jì)的光幕靶用電壓型對(duì)數(shù)放大電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)壓縮，提高了光幕靶輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有光幕靶用信號(hào)處理電路無(wú)法滿足各種口徑彈丸的速度測(cè)量問題，設(shè)計(jì)了光幕靶用對(duì)數(shù)放大電路。分析了矩形光幕靶和扇形光幕靶的工作原理，根據(jù)對(duì)數(shù)放大原理，設(shè)計(jì)了電流型和電壓型對(duì)數(shù)放大電路，并驗(yàn)證電壓型對(duì)數(shù)放大電路的對(duì)數(shù)特性驗(yàn)證以及電路測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的光幕靶用電壓型對(duì)數(shù)放大電路的輸入輸出信號(hào)符合對(duì)數(shù)特性，其測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍滿足各口徑彈丸的速度測(cè)量，提高了光幕靶用信號(hào)處理電路的測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍。