光幕靶用大動態范圍信號處理電路設計

李 敬，田 會，王文潔，張 輝

(1.西安工業大學 光電工程學院，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過程中，為有效評判該類武器的效能，需準確測量發射彈丸在預定位置的飛行速度[1-4]，非接觸式區截測速裝置具有布設操作簡便、使用成本低、可連續測試等優勢，現已完全替代傳統的鋼板靶、銅絲斷靶等接觸類測速設備。在區截測速裝置中，光幕靶是一類代表性設備[5-8]，自帶人工光源，通過探測彈丸穿過探測幕面時引起光通量的變化量，通過信號處理電路，實時輸出彈丸過幕信號，利用測時儀或數據采集儀測量彈丸穿過兩個光幕輸出信號的時間，并計算出彈丸速度。光幕靶具有靈敏度高、抗干擾能力強、測速精度高等優勢，現已在兵器生產企業得到廣泛應用[9-12]。光幕靶輸出的彈丸過幕信號幅值與彈丸直徑密切相關，隨著彈丸直徑的增大，其穿過光幕時遮擋的光能量增加，引起光電探測器件輸出的光電流變大，采用固定增益的信號處理電路輸出的過幕信號幅值極易出現飽和，引起信號在下降過程中出現過沖，從而導致信號波形發生畸變，最終導致時間測量出現較大偏差，試驗失效。雖有研究者提出將光幕靶的探測靈敏度分為2～3檔，以適應不同的彈徑，但該方法需要切換內部電路的增益系數，有時會導致信號出現自激[13-15]。本文針對上述問題，設計一種光幕靶用對數放大電路，采用對數放大原理放大彈丸過幕信號，確保各種口徑彈丸信號幅值均在信號處理電路允許的范圍內，提高信號的動態范圍。

1 兩類光幕靶式光幕工作原理分析

探測光幕作為光幕靶的重要組成部分，功能是感應彈丸過幕時物理狀態，輸出彈丸過幕信號，為時間測量提供依據。光源的光經光闌進入接收裝置的光電探測器件，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具有一定厚度的薄型光幕面，稱之為光幕。目前應用較為廣泛的光幕靶按照光幕實現形式主要分為兩類：LED線陣列光源配合線陣列光電接收器件構成的矩形探測光幕，一字線型激光器發射的激光束經原相反射膜反射后被面型光電探測器接收構成的扇形探測光幕。

1.1 矩形探測光幕

矩形探測光幕構成如圖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陣列。光源與探測器件之間形成有效探測矩形探測光幕。彈丸從矩形光幕內任意位置穿過時，遮擋了部分進入光電探測器件的光能量，利用光電轉換原理，探測器件輸出微弱變化的電信號，經信號處理電路后輸出彈丸過幕信號，包括有模擬過幕信號和脈沖信號，可根據具體使用要求選擇相應的信號。放大電路輸出的模擬信號可進行放大驅動后輸出，該信號可用示波器進行觀察，也可通過信號采集儀記錄以作進一步的分析。

圖1 矩形探測光幕的典型構成方式

同一直徑的彈丸在幕面內任意位置穿過時，引起光通量的變化量相同，輸出信號幅值跳動范圍不大，也即彈丸信號幅值與彈丸過幕位置無關。隨著彈丸直徑增大時，穿過光幕時遮擋的光能量增加，光電探測器件輸出電信號增大，經固定增益的放大電路后，模擬信號幅值增大。隨彈丸直徑不斷增加，模擬信號幅值易出現信號飽和，彈丸過幕時間提取算法計算兩個過幕信號時間時易出現測量誤差，進而導致測速精度下降。

1.2 扇形探測光幕

扇形探測光幕構成如圖2所示，主要由激光器、原相反射膜和面型光電探測器件組成。激光器包括激光器發射裝置和光學系統組件，激光器發射的光線經聚焦、準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的面型光電探測器件接收。彈丸從扇形光幕內任意位置穿過時，遮擋部分激光光線，引起面型光電探測器件接收到的光能量發生變化，經信號處理電路輸出彈丸過幕電信號。

圖2 扇形探測光幕構成

根據扇形光幕形成的原理可知，當彈丸從距離激光器不同高度的位置穿過時，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，引起探測器件接收到光能量的變化量不同，因此輸出信號幅值存在差異。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，輸出的過幕信號幅值越大，反之信號幅值越小。過幕信號經固定增益放大電路后易出現信號飽和或者信號太微弱現象，同樣原理會引起過幕時間測量誤差增大，進而導致測速誤差增大。

為了提高光幕靶的測速精度，研究了大動態范圍的光幕靶用信號處理電路，采用對數放大原理，在保持原信號基本幅頻特性基礎上擴大光幕靶測試動態范圍，能夠滿足各種口徑彈丸的速度測量要求。

2 光幕靶用對數放大電路設計

在電子電路中，電子元器件的輸入輸出信號特性都有一定的范圍限制，且輸入輸出具有一定的對應關系。在電子元器件輸出范圍確定的情況下，要測量更大范圍的輸入信號，就要提高輸入信號的動態范圍，即將大范圍輸入信號壓縮成電子元器件能測量的小范圍信號。而對數關系，正好滿足這個條件。對數放大器的特點[16]：1)輸入輸出信號呈對數關系，且一一對應；2)動態壓縮，將大動態輸入信號壓縮成小動態的輸出信號，且自動調節增益；3)信號瞬時處理。理想的對數放大器是輸出信號幅度與輸入信號幅度呈對數關系，而實際對數放大器具備線性和對數放大功能。弱信號時，是一個線性放大器，增益較大；隨信號增強，變成一個對數放大器，增益隨輸入信號的增加而減小。

2.1 對數放大電路特性

當前級放大電路輸出的彈丸過幕信號較為微弱時，后級放大電路需要進行較高的放大增益，確保輸出的信號能夠有效地從噪聲中分離出來；當前級放大電路輸出信號幅值較大時，應適當地降低后級放大電路的增益，確保輸出信號幅值不飽和。該特性與對數放大電路的特性相吻合，圖3為對數放大電路的輸入-輸出幅度特性曲線。在線性放大區，輸入信號幅度較低，增益高且恒定，輸出信號幅度呈線性增大；在對數放大區，隨輸入信號幅度增加，增益逐漸減小，促使輸出信號幅度隨之呈對數增大。可實現低輸入高增益放大輸出，高輸入低增益放大輸出，避免信號太微弱以及強信號引起的信號飽和。

圖3 對數放大電路輸入-輸出幅度特性

由于對數放大電路具有上述特性，在應用光幕靶信號處理電路中，可對小尺寸彈丸輸出的信號進行高增益放大，對大尺寸彈丸進行低增益放大。

圖4為基于對數放大電路的光幕靶信號處理電路框圖，在原有光幕靶信號處理電路基礎上增加對數放大電路，使原有固定增益放大轉為根據彈丸口徑自動調節增益放大。本論文僅對對數放大電路進行設計，其余電路均采用原有光幕靶用電路。

圖4 光幕靶信號處理電路框圖

2.2 對數放大器分類

根據對數放大器原理不同，對數放大器分為兩類：真對數放大器和似對數放大器。真對數放大器分為跨到線性放大器和電壓對數放大器，似對數放大器分為基帶對數放大器和解調對數放大器。

2.2.1 真對數放大器

利用二極管或者三極管的工作特性來實現對數放大，稱為跨導線性對數放大器；電壓對數放大器采用RC電路充放電時電壓與時間呈指數規律變化的原理，由于電路復雜，對溫度環境要求較高，實際應用較少。隨集成電路的發展，跨導線性對數放大器趨向集成化，采用差分輸入消除二極管或三極管的反向飽和電流，以提高對數準確度，增加集成芯片的抑噪聲能力。真對數放大器適用于輸入信號為緩變信號的電路，在高頻輸入信號時，誤差較大。

2.2.2 似對數放大器

似對數放大器能夠處理高頻信號，但放大單元不具備對數關系，采用多個限幅器串聯級聯或并聯級聯后求和，以達到對數放大的目的。基帶對數放大器將輸出直接累加，而解調對數放大器需要檢波后輸出累加。

實際應用中，對數放大器越來越集成化，市場出現許多集成對數放大器芯片，根據對數放大的對象，可分為電壓型對數放大器和電流型對數放大器，后文根據對應對數放大器芯片分別進行設計。

2.3 對數放大器關鍵性能指標

2.3.1 動態范圍

對集成芯片來說，其輸入輸出都有一定的范圍。輸入不能太小，也不能過大。輸入信號過小，集成芯片可能被噪聲淹沒而檢測不到；輸入信號過大，集成芯片的輸出信號會飽和，輸出信號與輸入信號對應關系不成立，故將器件允許輸入信號的最大最小值的范圍稱為動態范圍。對數放大電路動態范圍如式(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，輸出信號與輸入信號的關系與輸入信號的頻率有關。放大電路中，輸入信號低于下限截止頻率時，電路中容抗很大，輸出較小；輸入信號大于上限截止頻率時，電路感抗很大，電路放大倍數較小，輸出較小；在中頻段，電路放大倍數最大。在對數放大器中，輸入信號經對數變換后幅度減小，如果用恒定輸入信號而輸出信號下降3 dB的頻率間隔為帶寬，不能反映對數放大器的頻率特性，需采用恒定輸出而輸入下降3 dB時的頻率間隔作為對數放大器的帶寬。

2.4 電壓型對數放大電路設計

圖5為設計的電壓型對數放大電路，對數放大芯片采用TI公司的對數放大器TL441，該芯片利用四級完全相同的差動放大器，每個差動放大器放大30 dB。該圖為電壓型對數放大芯片TL441的完整接法，整體電路理論增益可達120 dB。實際工作中，輸入電壓范圍一般大于80 dB，對數線性度為±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，U7-9腳和U7-12腳輸入單元需接前置放大器，即U5和U8運放模塊。輸入信號IN1直接送給U7-4腳，并經分壓電阻R3后與U7-7腳連接。U5運放模塊的輸出信號送給U7-12腳和U8-3腳，U8-6腳輸出送給U7-9腳，輸出電壓信號Y、Z通過加法器U6運放模塊相加輸出Vout。

圖5 電壓型對數放大芯片電路連接圖

2.5 電流型對數放大電路設計

圖6為電流型對數放大芯片電路連接圖，主芯片為TI公司生產的電流型對數放大器LOG112。該芯片特點：1)基準電壓為2.5 V；2)輸入信號動態范圍為100 pA～3.5 mA；3)靜態電流：1.75 mA；4)電源電壓：±18 V。運算放大器OPA380將PIN型光電二極管的光電流信號轉化為電壓信號，電壓信號經過電阻轉化為電流信號(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分別對地連接去耦電容。輸入電流信號由電流對數放大器LOG112進行對數放大后通過5腳VLogout輸出，連接至后續電壓放大電路的輸入端。該芯片5腳具有對數變化的特性，作為后級放大的輸入，可根據式(2)計算對數放大的總輸出幅值。

圖6 電流型對數放大芯片電路連接圖

電流型對數放大電路的輸出關如式(2)：

VLOGOUT=0.5×log(IN1/IN2)

(2)

3 試驗驗證

為了驗證設計的對數放大電路工作特性，采用信號發生器產生不同幅值的正弦波的正半周期作為輸入信號(Sig1)，該信號與光幕靶前級放大電路輸出信號特性相似，Sig1通過對數放大電路放大后輸出為輸出信號(Sig2)，兩路信號用示波器進行波形比較，并導出波形至Matlab進行曲線擬合。為驗證對數放大電路測試動態范圍，信號發生器產生信號Sig1經過信號衰減器進行衰減后的信號為Sig2，再通過對數放大電路進行放大后輸出的信號為Sig3，利用示波器同步采集三路信號，并分析其幅頻特性。

3.1 對數特性測試

電路測試如圖7所示，信號發生器(輸入信號)和光幕靶用對數放大電路(輸出信號)兩路信號同時送給示波器，進行波形比較。

圖7 對數特性測試框圖

由信號發生器輸出單次正半周期正弦波，用示波器觀察經光幕探測器用對數放大電路后的輸出信號波形。兩路信號波形如圖8所示，X軸為采樣時間，Y軸為輸入/輸出幅度。第一幅圖是信號發生器的輸出波形，第二幅圖是光幕探測器用對數放大電路輸出的信號波形。將兩路信號波形導入Matlab并統一坐標，得到擬合曲線如圖9所示，X軸表示輸入信號Sig1，即圖8第一幅圖，Y軸表示光幕靶用對數放大電路的輸出信號Sig2。從圖中可看出，輸入信號與輸出信號呈對數關系。

圖8 輸入與輸出信號幅值波形

圖9 輸入輸出擬合曲線

由于在Matlab中無法直接進行對數關系數學擬合，將輸入與輸出信號進行線性處理后，再通過軟件實現數學擬合，得到輸入與輸出幅度的擬合函數。根據對數放大電路的輸出與輸入的對數成正比的特點，將圖9曲線進行線性擬合，其結果如圖10所示，并得到線性擬合曲線函數如式(3):

Vout=15(0.229 9log(Vin×6.6)+0.929 4)

(3)

圖10 處理后的擬合曲線

試驗結果表明，光幕靶用對數放大電路的輸入輸出擬合曲線直觀上表明對數放大電路的對數特性，其擬合函數進一步證明電路具有對數特性設計的光幕靶用電壓型對數放大電路可以實現對輸入信號的動態壓縮。

3.2 電路動態范圍測試

將信號發生器(輸入信號)、信號衰減器和光幕靶用對數放大電路(輸出信號)三路信號送給示波器，進行波形對比，動態范圍測試如圖11所示。

圖11 電路動態范圍測試框圖

信號發生器產生的輸入信號幅值不變，改變衰減器的衰減值，經電壓型對數放大電路后輸出信號Sig3，即對數放大輸出信號，示波器同時接收Sig1、Sig2、Sig3三路信號進行信號幅值比較，并記錄各自幅值，為計算輸入信號動態范圍提供依據。表1為三路信號在示波器中的輸出幅值，衰減值體現了對數放大電路的測試動態范圍大小。

表1 電路動態范圍測試結果

分析測試數據，最大輸入電壓為140 mV，最小電壓為3.7 mV，根據式(1)可知，該電壓型對數放大電路的實際測試動態范圍為31.5 dB，該范圍已滿足各口徑彈丸的速度測量。證明了設計的光幕靶用電壓型對數放大電路可以實現對輸入信號的動態壓縮，提高了光幕靶輸入信號的動態范圍。

4 結束語

本文針對現有光幕靶用信號處理電路無法滿足各種口徑彈丸的速度測量問題，設計了光幕靶用對數放大電路。分析了矩形光幕靶和扇形光幕靶的工作原理，根據對數放大原理，設計了電流型和電壓型對數放大電路，并驗證電壓型對數放大電路的對數特性驗證以及電路測試動態范圍。試驗結果表明，本文設計的光幕靶用電壓型對數放大電路的輸入輸出信號符合對數特性，其測試動態范圍滿足各口徑彈丸的速度測量，提高了光幕靶用信號處理電路的測試動態范圍。