火箭測(cè)試平臺(tái)多通道脈動(dòng)壓力微弱信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

（中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900）

火箭測(cè)試平臺(tái)用于再入環(huán)境參數(shù)（脈動(dòng)壓力、溫度和振動(dòng)等）的測(cè)量，為再入飛行力熱環(huán)境預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐。脈動(dòng)壓力是再入環(huán)境中的重要參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響很大[1-2]，通過獲取再入飛行過程中多個(gè)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力測(cè)試數(shù)據(jù)，可為脈動(dòng)壓力和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)技術(shù)研究提供數(shù)據(jù)支撐。

火箭測(cè)試平臺(tái)多通道脈動(dòng)壓力微弱信號(hào)調(diào)理電路主要實(shí)現(xiàn)飛行過程中40 個(gè)通道脈動(dòng)壓力傳感器的微弱信號(hào)調(diào)理、放大及數(shù)字化，并適配于后端的數(shù)據(jù)采集及回收等。脈動(dòng)壓力微弱信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)與脈動(dòng)壓力傳感器息息相關(guān)。脈動(dòng)壓力傳感器分別為10、15、25 PSI 共計(jì)3 種量程的絕壓型傳感器，傳感器均為壓阻原理，其電阻結(jié)構(gòu)為電橋形式。通過對(duì)傳感器電橋進(jìn)行恒壓供電，并檢測(cè)電橋輸出端的電壓變化，可實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)壓力信號(hào)的測(cè)量。脈動(dòng)壓力傳感器的供電電壓為+10 V，傳感器的輸出為0～100 mV。對(duì)飛行過程中Pa 級(jí)的脈動(dòng)壓力信號(hào)，折算到脈動(dòng)壓力傳感器（15 PSI 量程）的輸出為1 Pa 約對(duì)應(yīng)1 μV，屬于微弱信號(hào)測(cè)量范疇，應(yīng)進(jìn)行微弱信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)。

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心開展了脈動(dòng)壓力信號(hào)測(cè)量技術(shù)研究，其采用基于VXI 總線的多通道信號(hào)調(diào)理及采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)體積較大，可實(shí)現(xiàn)在地面試驗(yàn)過程中的脈動(dòng)壓力微弱信號(hào)測(cè)量等工作[3-4]。北京航空航天大學(xué)研究了風(fēng)洞試驗(yàn)中的脈動(dòng)壓力測(cè)量方法，系統(tǒng)硬件也是基于VXI 總線的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的[5]。上述脈動(dòng)壓力微弱信號(hào)調(diào)理技術(shù)應(yīng)用于地面試驗(yàn)，均存在體積較大，不能滿足小體積應(yīng)用的特殊場(chǎng)合。針對(duì)火箭測(cè)試平臺(tái)上，空間和質(zhì)量都非常有限的接口要求，為了實(shí)現(xiàn)40 個(gè)通道脈動(dòng)壓力信號(hào)的測(cè)量，需開展多通道脈動(dòng)壓力微弱信號(hào)調(diào)理電路的小型化設(shè)計(jì)，以滿足測(cè)試平臺(tái)的接口要求。

文中針對(duì)火箭測(cè)試平臺(tái)多通道脈動(dòng)壓力測(cè)量需求，實(shí)現(xiàn)了多通道脈動(dòng)壓力微弱信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)，該電路基于高性能儀表放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有抗干擾、小型化等技術(shù)特點(diǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)

考慮脈動(dòng)壓力傳感器量程為10、15、25 PSI 這三種不同類型，為實(shí)現(xiàn)通用化設(shè)計(jì)，需設(shè)計(jì)同一種電路結(jié)構(gòu)，僅針對(duì)不同量程傳感器進(jìn)行放大增益調(diào)節(jié)即可。

脈動(dòng)壓力微弱信號(hào)調(diào)理電路由傳感器供電單元、RFI 濾波網(wǎng)絡(luò)、可調(diào)增益放大單元、低通濾波器、ADC轉(zhuǎn)換單元、供電單元等組成。信號(hào)調(diào)理電路單板按照4 個(gè)脈動(dòng)壓力傳感器通道進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過10 塊單板組合化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)40 通道脈動(dòng)壓力微弱信號(hào)的調(diào)理電路設(shè)計(jì)。信號(hào)調(diào)理電路單板原理如圖1 所示。

圖1 信號(hào)調(diào)理電路單板原理Fig.1 Block diagram of signal conditioning circuit board

傳感器供電單元采用LT1763 可調(diào)電壓輸出型芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)+10 V 的輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈動(dòng)壓力傳感器的供電?？烧{(diào)增益放大單元采用基于ADI 的AD8422 儀表放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，該器件具有330 μA 的靜態(tài)功耗，MSOP8 的小尺寸封裝和高達(dá)150 dB 的共模抑制比，可實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的高信噪比放大。針對(duì)測(cè)量環(huán)境中可能存在射頻干擾，導(dǎo)致在儀表放大器輸出端難以對(duì)干擾信號(hào)濾波的問題，在儀表放大器前端引入RFI 濾波網(wǎng)絡(luò)，對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行濾波處理，消除放大電路干擾[6-8]?？烧{(diào)增益放大單元通過調(diào)節(jié)AD8422 的增益電阻，實(shí)現(xiàn)不同量程傳感器、不同增益設(shè)計(jì)需求。低通濾波器主要實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的抗混疊濾波作用。ADC 轉(zhuǎn)換單元基于ADI 的AD7980 進(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片具有16 bit 的分辨率，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)1 M 的采樣率，通過數(shù)字端口即可控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，將ADC 轉(zhuǎn)換單元集成到調(diào)理電路上，將模擬信號(hào)直接傳輸轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸，進(jìn)一步降低干擾。ADC 轉(zhuǎn)換單元與數(shù)據(jù)采集接口連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。供電單元主要實(shí)現(xiàn)將火箭測(cè)試平臺(tái)電源系統(tǒng)提供的12 V 直流電壓，轉(zhuǎn)換為調(diào)理電路上4 通道可調(diào)增益放大單元、低通濾波器和ADC 轉(zhuǎn)換單元所需要的供電電壓功能。

2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感器供電單元設(shè)計(jì)

調(diào)理電路單板上傳感器供電單元要對(duì)4 個(gè)通道脈動(dòng)壓力傳感器進(jìn)行同時(shí)供電，采用LT 公司LT1763可調(diào)電壓輸出型芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。該芯片最大輸出電流高達(dá)500 mA，可滿足傳感器供電的需求，同時(shí)還留有一定余量，滿足可靠性降額設(shè)計(jì)要求。傳感器供電單元電路原理如圖2 所示。

圖2 傳感器供電單元電路原理Fig.2 Schematic circuit diagram of sensor power supply unit

根據(jù)LT1763 數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，圖2 中，芯片輸出電壓Vo符合式（1）：

取R3=2 kΩ，R1=13 kΩ，R2=1.5 kΩ，電阻精度均為0.1%。代入式（1）計(jì)算，得到Vo=10.065 V。即可以實(shí)現(xiàn)傳感器供電電壓為(10±0.1) V，根據(jù)芯片手冊(cè)推薦電路，取C1=0.01 μF，C2=10 μF，C3=1 μF，實(shí)現(xiàn)電源輸入和電源輸出端口的濾波，降低電源輸出端噪聲。

該電源芯片為低壓差線性穩(wěn)壓器，有 4 mm×3 mm 的DFN 封裝形式，體積很小，適用于小型化設(shè)計(jì)場(chǎng)合。同時(shí)該電源芯片的輸出電壓紋波噪聲很小，能夠滿足傳感器低噪聲供電的需要。

2.2 RFI 濾波網(wǎng)絡(luò)及可調(diào)增益放大單元設(shè)計(jì)

考慮到脈動(dòng)壓力傳感器的線纜有一定的長(zhǎng)度，傳感器信號(hào)傳輸環(huán)境不可避免地會(huì)存在射頻干擾。如果不在儀表放大器輸入前端進(jìn)行處理，其輸出后端會(huì)疊加微小的直流偏置電壓，在輸出端采用抗混疊濾波器是不能消除這種干擾信號(hào)的，這會(huì)對(duì)脈動(dòng)壓力的微弱信號(hào)造成干擾，從而影響測(cè)量。為此，在可調(diào)增益放大單元前端引入RFI 濾波器，抑制測(cè)量環(huán)境中射頻干擾對(duì)電路輸出的影響。RFI 濾波網(wǎng)絡(luò)和可調(diào)增益放大單元電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 RFI 濾波網(wǎng)絡(luò)及可調(diào)增益放大單元電路原理Fig.3 Schematic diagram of RFI filter network and adjustable gain amplifier unit

圖3 中，脈動(dòng)壓力傳感器的輸出差分信號(hào)端S+和S-，先經(jīng)過RFI 濾波網(wǎng)絡(luò)，再送入可調(diào)增益放大單元。

RFI 濾波網(wǎng)絡(luò)由2 個(gè)R4、2 個(gè)C4和1 個(gè)C5組成，主要實(shí)現(xiàn)RC 低通濾波的功能，該濾波網(wǎng)絡(luò)限制了輸入信號(hào)的帶寬，通過設(shè)計(jì)合適的R4、C4和C5的數(shù)值，可以設(shè)置不同的信號(hào)低通濾波截止頻率。

信號(hào)低通濾波截止頻率與R4、C4和C5的關(guān)系為：

式中：fdiff為差分信號(hào)的低通濾波截止頻率；fcm為共模信號(hào)的低通濾波截止頻率。顯然，為了抑制射頻干擾，需要設(shè)置差分信號(hào)的低通濾波截止頻率。

同時(shí)，C4和C5的關(guān)系應(yīng)滿足式（4）：

根據(jù)調(diào)理電路帶寬設(shè)計(jì)指標(biāo)：BW=DC～30 kHz（-3 dB），選擇R4=2.4 kΩ，C4=100 pF，C5=1000 pF，帶入式（2），計(jì)算得到差分信號(hào)低通濾波器截止頻率約為33 kHz，即可滿足電路帶寬的設(shè)計(jì)要求。

可調(diào)增益放大單元是基于AD8422 儀表放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)的，儀表放大器輸入阻抗高，廣泛應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)中[7]。為了拓寬儀表放大器的輸出范圍，采用正負(fù)雙電源進(jìn)行供電設(shè)計(jì)，保證輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。通過調(diào)節(jié)增益電阻RG值，可以設(shè)置電路的放大倍數(shù)G。電路放大倍數(shù)G與增益電阻RG的關(guān)系為：

根據(jù)脈動(dòng)壓力傳感器不同量程10、15、25 PSI下的放大增益需求，設(shè)計(jì)不同的增益電阻RG，即可實(shí)現(xiàn)不同量程傳感器的調(diào)理放大。即用1 種電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了多種量程傳感器信號(hào)調(diào)理放大，達(dá)到了通用化的設(shè)計(jì)目的。

同時(shí)，AD8422 上預(yù)留了REF 引腳，用于在放大后的輸出信號(hào)上疊加合適的偏置電壓VREF，使用時(shí)該引腳應(yīng)連接低阻抗輸出點(diǎn)[8]。

最終放大電路輸出信號(hào)Vout計(jì)算公式見式（6）：

2.3 低通濾波器及ADC 轉(zhuǎn)換單元設(shè)計(jì)

調(diào)理放大后的信號(hào)，在送入ADC 轉(zhuǎn)換單元前，需對(duì)信號(hào)進(jìn)行模擬低通濾波[8-10]，由于信號(hào)調(diào)理單板的尺寸受限，僅設(shè)計(jì)了一階有源低通濾波器如圖4 所示。取R5=4.7 kΩ，C6=1000 pF，計(jì)算得到低通濾波器截止頻率設(shè)計(jì)值為33.8 kHz，滿足帶寬設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。低通濾波的信號(hào)經(jīng)運(yùn)放跟隨輸出到AD7980 的模擬單端輸入端，進(jìn)行信號(hào)的采集。

由于一階抗混疊濾波器的衰減特性不好，為了實(shí)現(xiàn)抗混疊濾波的效果，在數(shù)據(jù)采集端口采樣率設(shè)計(jì)為實(shí)際采樣率的8 倍，然后再對(duì)信號(hào)進(jìn)行8 點(diǎn)取平均，得到最終的測(cè)量結(jié)果。這樣在硬件尺寸受限的條件下，采用軟件的方式彌補(bǔ)了濾波器衰減特性的不足。

AD7980 芯片需外置提供電壓基準(zhǔn)，選用ADI 公司的ADR4550 高精度電壓基準(zhǔn)芯片，對(duì)AD7980 提供5 V 的電壓基準(zhǔn)，單片ADR4550 可以在一塊信號(hào)調(diào)理單板上提供4 通道AD7980 的電壓基準(zhǔn)，顯著優(yōu)化設(shè)計(jì)空間和元器件使用數(shù)量。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 本底噪聲測(cè)試

為了獲得信號(hào)調(diào)理電路的本底噪聲水平，采用多通道數(shù)據(jù)采集及回收裝置對(duì)脈動(dòng)壓力調(diào)理信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和回讀。測(cè)試中，量程為15 PSI 的某一通道脈動(dòng)壓力信號(hào)調(diào)理電路輸出波形如圖5 所示。其中脈動(dòng)壓力傳感器處于大氣環(huán)境中，該通道脈動(dòng)壓力調(diào)理電路靜態(tài)噪聲約為20 Pa（峰值），換算成有效值為7 Pa，再折算到傳感器的輸出端電壓約為7 μV，表明目前設(shè)計(jì)的脈動(dòng)壓力微弱信號(hào)調(diào)理電路的本底噪聲約為7 μV。由于大氣環(huán)境中壓力也在時(shí)刻發(fā)生波動(dòng)，本底噪聲的評(píng)估工作還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖5 電路本底噪聲測(cè)試Fig.5 Circuit background noise test

在中國(guó)空氣動(dòng)力發(fā)展與研究中心開展了風(fēng)洞驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)原理為通過在模型的對(duì)稱位置布置風(fēng)洞測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)，對(duì)比驗(yàn)證脈動(dòng)壓力信號(hào)調(diào)理電路在高速氣流與真實(shí)安裝狀態(tài)下的測(cè)量準(zhǔn)確度。

在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，獲得了不同攻角、不同馬赫數(shù)下多個(gè)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力測(cè)試數(shù)據(jù)，并經(jīng)過換算得到了脈動(dòng)壓力系數(shù)。在2 Ma、0°攻角條件下，得到6 個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量對(duì)比結(jié)果（見圖6）。脈動(dòng)壓力系數(shù)A1為設(shè)計(jì)的脈動(dòng)壓力調(diào)理電路測(cè)量結(jié)果，脈動(dòng)壓力系數(shù)B1為其對(duì)稱位置處脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)采集及分析處理系統(tǒng)獲得的測(cè)量結(jié)果。

圖6 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)脈動(dòng)壓力系數(shù)測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of measurement results of fluctuating pressure coefficient in wind tunnel experiments

分析、比對(duì)設(shè)計(jì)的脈動(dòng)壓力信號(hào)調(diào)理電路與對(duì)稱位置處脈動(dòng)壓力設(shè)備的測(cè)量結(jié)果可知：脈動(dòng)壓力系數(shù)最大誤差為0.05%，表明設(shè)計(jì)的多通道脈動(dòng)壓力微弱信號(hào)調(diào)理電路能夠滿足火箭測(cè)試平臺(tái)多通道脈動(dòng)壓力測(cè)試需求。

4 結(jié)論

1）以AD8422 儀表放大器為核心放大電路單元，設(shè)計(jì)RFI 濾波網(wǎng)絡(luò)抑制射頻干擾，通過可調(diào)增益放大器實(shí)現(xiàn)不同增益的通用化設(shè)計(jì)。硬件一階低通濾波器和軟件高采樣率設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)抗混疊濾波，集成ADC 轉(zhuǎn)換單元實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸。實(shí)現(xiàn)了4 個(gè)通道調(diào)理電路尺寸40 mm×35 mm 的小型化設(shè)計(jì)。通過組合化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了40 通道脈動(dòng)壓力微弱信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)。

2）獲得了脈動(dòng)壓力微弱信號(hào)調(diào)理電路本底噪聲水平，約為7 μV。通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的脈動(dòng)壓力信號(hào)調(diào)理電路能夠滿足火箭測(cè)試平臺(tái)多通道脈動(dòng)壓力測(cè)試需求。