旋翼傳感信號采集系統(tǒng)的指標(biāo)評價體系構(gòu)建研究

劉 雄，伍 春，楊東旭，李 典

（1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，綿陽 621000；2.西南科技大學(xué) 國防科技學(xué)院，綿陽 621000）

0 引言

旋翼地面試驗過程中，旋翼傳感器信號多數(shù)為微弱小信號，采集系統(tǒng)特性直接影響采集信號質(zhì)量和氣動特性分析準(zhǔn)確性，旋翼傳感信號對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能指標(biāo)提出很高要求，如何有效針對多類傳感信號特性進行系統(tǒng)性地采集系統(tǒng)指標(biāo)評價的問題尤為突出，而指標(biāo)評價過程中選擇合適的分析方法對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)指標(biāo)評價極其重要。國內(nèi)學(xué)者研究大多數(shù)是針對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)單一特性進行評價與分析[1～3]，不能全面的評價系統(tǒng)性能，對特定傳感信號采集系統(tǒng)性能的評價是不充分的，無法滿足后續(xù)信號處理要求。

本文針對多量程傳感信號應(yīng)用需求，評估傳感信號采集系統(tǒng)配置方案的動態(tài)應(yīng)用能力。主要從其動態(tài)指標(biāo)與靜態(tài)指標(biāo)方面分析采集系統(tǒng)指標(biāo)。通過采集系統(tǒng)多次試驗與仿真，優(yōu)化了指標(biāo)算法，分析指標(biāo)與傳感信號特性間的影響，建立完整的指標(biāo)評價體系，給出采集系統(tǒng)在面對不同量程傳感信號任務(wù)時完成采集的實際性能，以及采集系統(tǒng)綜合指標(biāo)分析結(jié)果，完成旋翼表面壓力傳感信號采集。

1 旋翼傳感信號采集系統(tǒng)設(shè)計

旋翼傳感信號采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對128個傳感器的獨立并行通道的信號進行調(diào)理和采集。根據(jù)不同類型傳感信號特點改變采集量程，對輸入量進行分級調(diào)理，提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精度，降低誤差限。基于FPGA的核心控制模塊與8個子采集模塊采用SPI總線方式連接[4]，采集芯片根據(jù)配置信息地址對其16個采集通道進行相應(yīng)采集配置與數(shù)據(jù)回傳。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

信號預(yù)處理先采用兩級差分聯(lián)合放大，并以O(shè)PA2277放大器構(gòu)造巴特沃斯低通濾波器，降低噪聲干擾。以采集AD7609完成高速模數(shù)轉(zhuǎn)換。該采集系統(tǒng)支持外部時鐘信號觸發(fā)和連續(xù)采集功能，具有高可靠性、高維護性與高便攜性。

2 旋翼采集系統(tǒng)指標(biāo)評價體系

旋翼采集系統(tǒng)指標(biāo)分為動態(tài)指標(biāo)和靜態(tài)指標(biāo)兩個部分，而動態(tài)指標(biāo)評價是指標(biāo)準(zhǔn)交流信號下的系統(tǒng)增益精度、無雜散動態(tài)范圍、共模抑制比、通道相位匹配、動態(tài)有效位及濾波器特性六個部分；靜態(tài)指標(biāo)評價是指標(biāo)準(zhǔn)直流信號下的多通道誤差限、多通道線性度、擬合截距誤差及靜態(tài)增益精度四個部分。旋翼傳感信號采集系統(tǒng)指標(biāo)評價體系如圖2所示。

圖2 旋翼傳感信號采集系統(tǒng)指標(biāo)評價體系

2.1 系統(tǒng)動態(tài)指標(biāo)定義及方法

1）增益精度（GA）

增益精度指輸入的標(biāo)準(zhǔn)信號源最大功率與采集系統(tǒng)輸出端提供的最大功率之比的誤差。增益精度是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要指標(biāo)，增益誤差主要受放大器和濾波器的影響。級聯(lián)后的增益精度理論計算如下：

2）無雜散動態(tài)范圍（SFDR）

SFDR指在分析信號FFT分析頻譜中信號幅度與最大諧波的距離關(guān)系[5,6]。SFDR取決于采集ADC在輸入高增益?zhèn)鞲行盘枙r所能檢測其最小信號的能力。

該采集系統(tǒng)AD7609典型動態(tài)范圍最高為105dBc，但動態(tài)范圍受到系統(tǒng)實際噪聲以及其他諧波干擾的影響而下降。根據(jù)FFT變換處理得到幅頻特性及各諧波分量，則無雜散動態(tài)范圍計算為：

SFDR=20 × log10(基 波強度/次大諧波分量)

3）共模抑制比（CMRR）

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)匹配電路下，共模抑制比指差模與共模的程控增益倍數(shù)的比值。信號調(diào)理電路中，CMRR具體表明為差分放大電路抑制共模信號的能力[7]。旋翼傳感信號采集系統(tǒng)理論仿真共模抑制比為70dB。共模抑制比計算為：

CMRR=20 × log10(差 分增益/共模增益)

4）通道相位匹配

在輸入端匹配情況下，輸出端通道間信號具有相同相位，達到最佳倍頻效果。通道相位匹配一致性越高，信號誤差越小，系統(tǒng)噪聲抑制性能越好。

5）動態(tài)有效位

動態(tài)有效位數(shù)表示信號所受噪聲干擾、電路器件質(zhì)量及系統(tǒng)誤差轉(zhuǎn)化為量化誤差與有效器件分辨率[8]。動態(tài)有效位反映了特定輸入信號與系統(tǒng)采集信號的擬合度。

6）濾波器特性

濾波器特性分析主要分析其截止頻率、通帶平坦度與衰減情況等特性指標(biāo)。這些特性指標(biāo)直接反映信號幅度失真情況，與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)低頻信號質(zhì)量相關(guān)。

2.2 系統(tǒng)靜態(tài)指標(biāo)定義及方法

1）誤差限

被測通道在信號E值處的誤差限A按下列公式計算：

式中，xi為每個通道采集數(shù)據(jù)值；

為每個通道所有采集數(shù)據(jù)平均值；

n為每個通道的采集數(shù)據(jù)個數(shù)；

E為系統(tǒng)輸入標(biāo)準(zhǔn)信號的幅度；

σ為采集數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

2）線性度

線性度表明校準(zhǔn)源信號與采集系統(tǒng)輸出信號的一致程度。采用端基直線法，在傳感信號的量程范圍（EL，EH）內(nèi)，適當(dāng)選擇11個等差信號測試點Ei（i＝1，2，…，11）。圖14為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入輸出特性。

式中，EL為單通道的測量范圍下限；

EH為單通道的測量范圍上限；

Er為單通道的量程。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入輸出特性

線性度：

式中xij為第i個信號點Ei上單通道輸入的第j個測試點數(shù)據(jù)；

n為采集信號數(shù)據(jù)的點數(shù)（n≥100）；

k為端基直線的斜率；

b為端基直線的截矩；

為第i個信號點Ei上測量n次的平均值；

3）截距誤差

利用截距的標(biāo)準(zhǔn)差Sa作為判斷發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差。在一定程度上，可通過對擬合截距誤差，為分析系統(tǒng)誤差提供依據(jù)。

3 旋翼傳感信號采集系統(tǒng)性能指標(biāo)的評價

采用標(biāo)準(zhǔn)信號源（Fluke5720A多功能高精度校準(zhǔn)器）作為輸入信號進行一致性采樣，利用MATLAB仿真處理輸出信號。以64個通道為基礎(chǔ)，根據(jù)旋翼傳感信號采集系統(tǒng)指標(biāo)評價體系及方法分別進行系統(tǒng)性能動態(tài)指標(biāo)和靜態(tài)指標(biāo)的評價。

3.1 系統(tǒng)動態(tài)指標(biāo)評價

選擇標(biāo)準(zhǔn)信號源正弦信號作為系統(tǒng)輸入信號，根據(jù)動態(tài)指標(biāo)定義及分析方法得到各類動態(tài)指標(biāo)。輸入正弦信號頻率0Hz、1KHz、20KHz；有效峰值15.91mV、31.82mV、63.64mV、3182mV分別對應(yīng)增益倍數(shù)200、100、50、1；采集頻率200ksps；采集點數(shù) 200000；分4組測試，正弦擬合法對每組16個通道進行評價。旋翼傳感信號采集系統(tǒng)動態(tài)指標(biāo)結(jié)果如下：

1）增益精度指標(biāo)評價

1Khz增益精度指標(biāo)評價結(jié)果如圖4所示，增益倍數(shù)為1時，增益精度達到0.01%，增益精度穩(wěn)定性最強，波動范圍小于其他增益倍數(shù)，實際增益精度優(yōu)于理論增益精度0.057%。增益倍數(shù)越大，增益精度波動越大，這是由于兩級放大器AD在高增益時，增益誤差逐漸放大。而在實際采集傳感信號過程中，在巴特沃斯低通濾波器截止頻率范圍內(nèi)，傳感信號損失很小。

圖4 增益精度指標(biāo)評價結(jié)果

2）無雜散動態(tài)范圍指標(biāo)評價

無雜散動態(tài)指標(biāo)評價結(jié)果如圖5所示，采集增益倍數(shù)為1時，1KHz正弦信號的SFDR值達到75dBc，與理論SFDR差30dBc，這是由于差分不平衡、幅度失配、相位失配、信號線串?dāng)_等因素減小信號功率導(dǎo)致降低SFDR值。隨著增益倍數(shù)的增大，無雜散動態(tài)范圍穩(wěn)定在62dBc；輸入信號頻率無雜散動態(tài)范圍值呈反比例關(guān)系，即無雜散動態(tài)范圍與增益倍數(shù)無關(guān)，與濾波器截止頻率有關(guān)，存在明顯的噪聲影響。

圖5 無雜散動態(tài)范圍指標(biāo)評價結(jié)果

將采集模塊置于恒溫80℃，恒濕20%，烘烤8個小時，對比測試結(jié)果表明，SFDR顯著下降15dB左右，實際使用環(huán)境將嚴(yán)重影響無雜散動態(tài)范圍。

3）共模抑制比指標(biāo)評價

圖6共模抑制比指標(biāo)出現(xiàn)通道見上下浮動，增益倍數(shù)為1時，共模抑制下限最低為82dB，但其他增益倍數(shù)基礎(chǔ)趨勢不變，這是由于采集系統(tǒng)采集模塊電路布局不對稱導(dǎo)致信號放大后幅度不一致，出現(xiàn)信號共模抑制比波動嚴(yán)重現(xiàn)象。

圖6 共模抑制比指標(biāo)評價結(jié)果

4）通道相位指標(biāo)評價

所有通道相位分四次測量完成，所有通道方差約為1.37×10-4，每次測量16通道相位的方差約為2.17×10-4。圖7所示，每16個通道出現(xiàn)大幅度波動，這是由于測試時間不一致導(dǎo)致的，而通道間信號時鐘相位、增益精度誤差直接影響通道相位匹配度[9]。在開環(huán)測試模式下[10]，該傳感信號采集系統(tǒng)通道相位一致性較好。

圖7 通道相位指標(biāo)評價結(jié)果

5）動態(tài)有效位

動態(tài)有效位為12.54，信噪比為77.27dB。

6）濾波器特性指標(biāo)評價

巴特沃斯低通濾波器實際評價結(jié)果如圖8所示，截止頻率為19.20kHz。幅值下降為99%時頻率點為6.21kHz，濾波器平坦度較好。

圖8 濾波器特性曲線

綜上所述，增益精度、無雜散動態(tài)范圍、共模抑制比實際評價與理論結(jié)果基本一致；相位通道誤差為0.01%，實際相位匹配度較好；動態(tài)有效位為12.54，信噪比77.27dB；低通濾波器特性截止頻率為19.20kHz，與仿真19.5kHz基本一致。動態(tài)指標(biāo)評價能夠有效評價采集系統(tǒng)性能，滿足準(zhǔn)確、系統(tǒng)性地評價采集系統(tǒng)動態(tài)性能的要求，適用于分析采集系統(tǒng)特性。

3.2 系統(tǒng)靜態(tài)指標(biāo)評價

根據(jù)靜態(tài)指標(biāo)定義及分析方法，選擇標(biāo)準(zhǔn)信號源直流信號作為系統(tǒng)輸入信號，MATLAB仿真擬合正弦曲線，分析采集到的系統(tǒng)輸出信號得到靜態(tài)指標(biāo)。直流信號幅值選取11個點，幅值范圍：-5V～5V；-0.1V～0.1V；-0.05V～0.05V；-0.025V～0.025V分別對應(yīng)增益倍數(shù)1、50、100、200；采集頻率200ksps；分4組測試，每組16個通道進行評價。

1）誤差限

被測64通道在信號增益倍數(shù)為1倍處的誤差限結(jié)果如圖9所示，相對誤差限最大為0.0330%遠小于0.1%，滿足直流電壓校準(zhǔn)規(guī)范。

2）線性度

相性度結(jié)果與增益精度波動變化一致，如圖10所示，而每16個通道出現(xiàn)一次較大波動，這是由于線性度受到隨機誤差和量化誤差影響，特別是大信號尤為明顯。相比于等間距法仿真結(jié)果[11]，同時測試的16個通道間的線性度波動范圍為4.88×10-4，校準(zhǔn)源信號與采集系統(tǒng)輸出信號的一致性較好。

圖10 線性度指標(biāo)評價結(jié)果

3）截距誤差

截距誤差均值為0.0015滿足增益精度0.1%要求。而截距誤差包含隨機誤差和系統(tǒng)誤差，即截距誤差僅作為采集系統(tǒng)滿足信號采集的依據(jù)。

圖11 擬合截距誤差評價結(jié)果

該采集系統(tǒng)靜態(tài)指標(biāo)的靜態(tài)增益精度與動態(tài)增益精度一致，達到0.01%。綜上所述，靜態(tài)指標(biāo)結(jié)果滿足旋翼傳感信號采集要求，靜態(tài)指標(biāo)評價能夠從誤差角度評價該系統(tǒng)直流信號采集的性能。

4 旋翼脈動壓力信號試驗

旋翼各類傳感信號為直流信號，即旋翼脈動壓力信號靜態(tài)試驗在采集系統(tǒng)指標(biāo)評價體系的基礎(chǔ)上，以脈動壓力信號為信號源完成兩種類型脈動壓力信號采集與分析，用于機翼氣動特性研究。直升機機翼模型為五槳葉主機翼，其脈動壓力傳感器類型一數(shù)量為12個，脈動壓力傳感器類型二數(shù)量為31個。重復(fù)采集點數(shù)1000個，采集頻率200ksps，量程選擇增益倍數(shù)1倍，環(huán)境溫度18℃，環(huán)境壓強為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

圖12為單通道兩種類型脈動壓力信號，經(jīng)過低通濾波器后的時域結(jié)果。類型一壓力傳感器信號采集出現(xiàn)個別點出現(xiàn)很大波動，屬于隨機誤差。經(jīng)二階有源濾波器處理，大信號采集質(zhì)量更高。圖13為兩種類型的脈動壓力傳感器數(shù)據(jù)采集結(jié)果。在采集系統(tǒng)指標(biāo)評價體系的基礎(chǔ)上，所有傳感器信號標(biāo)準(zhǔn)差小于0.0155%，每個傳感信號波動小。傳感信號采集誤差滿足增益精度要求，信號質(zhì)量滿足旋翼診斷信息處理要求,達到旋翼地面試驗要求。

圖12 單通道兩種類型脈動壓力信號

圖13 兩種類型脈動壓力傳感器試驗采集結(jié)果

5 結(jié)語

本文提出了以旋翼傳感信號采集系統(tǒng)為對象，通過仿真和實際測試建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)指標(biāo)評價體系，并搭載旋翼模型應(yīng)用于靜態(tài)壓力信號采集試驗，從而準(zhǔn)確得出該采集系統(tǒng)的動靜態(tài)指標(biāo)，完成直升機旋翼表面壓力信號時域分析，用于氣動特性研究。采集系統(tǒng)評價體系能夠有效評價采集系統(tǒng)綜合性能，并為實際地面數(shù)據(jù)采集試驗，提供了前期數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能與增益倍數(shù)、信號頻率間關(guān)系，并探究了影響旋翼傳感信號采集系統(tǒng)性能的因素。

旋翼傳感信號采集系統(tǒng)評價指標(biāo)體系不僅適用于基于嵌入式技術(shù)的多量程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，還可擴展應(yīng)用于基于DSP技術(shù)的信號采集系統(tǒng)，充分發(fā)揮性能指標(biāo)評價和系統(tǒng)優(yōu)化的優(yōu)勢。