火箭測試平臺多通道脈動壓力微弱信號調理電路設計

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

火箭測試平臺用于再入環境參數（脈動壓力、溫度和振動等）的測量，為再入飛行力熱環境預測提供數據支撐。脈動壓力是再入環境中的重要參數，對結構響應影響很大[1-2]，通過獲取再入飛行過程中多個測點脈動壓力測試數據，可為脈動壓力和結構響應的數值模擬預測技術研究提供數據支撐。

火箭測試平臺多通道脈動壓力微弱信號調理電路主要實現飛行過程中40 個通道脈動壓力傳感器的微弱信號調理、放大及數字化，并適配于后端的數據采集及回收等。脈動壓力微弱信號調理電路設計與脈動壓力傳感器息息相關。脈動壓力傳感器分別為10、15、25 PSI 共計3 種量程的絕壓型傳感器，傳感器均為壓阻原理，其電阻結構為電橋形式。通過對傳感器電橋進行恒壓供電，并檢測電橋輸出端的電壓變化，可實現脈動壓力信號的測量。脈動壓力傳感器的供電電壓為+10 V，傳感器的輸出為0～100 mV。對飛行過程中Pa 級的脈動壓力信號，折算到脈動壓力傳感器（15 PSI 量程）的輸出為1 Pa 約對應1 μV，屬于微弱信號測量范疇，應進行微弱信號調理電路設計。

中國空氣動力研究與發展中心開展了脈動壓力信號測量技術研究，其采用基于VXI 總線的多通道信號調理及采集系統，該系統體積較大，可實現在地面試驗過程中的脈動壓力微弱信號測量等工作[3-4]。北京航空航天大學研究了風洞試驗中的脈動壓力測量方法，系統硬件也是基于VXI 總線的高速數據采集系統設計的[5]。上述脈動壓力微弱信號調理技術應用于地面試驗，均存在體積較大，不能滿足小體積應用的特殊場合。針對火箭測試平臺上，空間和質量都非常有限的接口要求，為了實現40 個通道脈動壓力信號的測量，需開展多通道脈動壓力微弱信號調理電路的小型化設計，以滿足測試平臺的接口要求。

文中針對火箭測試平臺多通道脈動壓力測量需求，實現了多通道脈動壓力微弱信號調理電路設計，該電路基于高性能儀表放大器進行設計，具有抗干擾、小型化等技術特點。

1 總體設計

考慮脈動壓力傳感器量程為10、15、25 PSI 這三種不同類型，為實現通用化設計，需設計同一種電路結構，僅針對不同量程傳感器進行放大增益調節即可。

脈動壓力微弱信號調理電路由傳感器供電單元、RFI 濾波網絡、可調增益放大單元、低通濾波器、ADC轉換單元、供電單元等組成。信號調理電路單板按照4 個脈動壓力傳感器通道進行設計，通過10 塊單板組合化設計，實現40 通道脈動壓力微弱信號的調理電路設計。信號調理電路單板原理如圖1 所示。

圖1 信號調理電路單板原理Fig.1 Block diagram of signal conditioning circuit board

傳感器供電單元采用LT1763 可調電壓輸出型芯片進行設計，通過電阻網絡調節實現+10 V 的輸出，實現對脈動壓力傳感器的供電。可調增益放大單元采用基于ADI 的AD8422 儀表放大器進行設計，該器件具有330 μA 的靜態功耗，MSOP8 的小尺寸封裝和高達150 dB 的共模抑制比，可實現微弱信號的高信噪比放大。針對測量環境中可能存在射頻干擾，導致在儀表放大器輸出端難以對干擾信號濾波的問題，在儀表放大器前端引入RFI 濾波網絡，對差分信號進行濾波處理，消除放大電路干擾[6-8]。可調增益放大單元通過調節AD8422 的增益電阻，實現不同量程傳感器、不同增益設計需求。低通濾波器主要實現模擬信號的抗混疊濾波作用。ADC 轉換單元基于ADI 的AD7980 進行設計，該芯片具有16 bit 的分辨率，可實現高達1 M 的采樣率，通過數字端口即可控制實現數據采集，將ADC 轉換單元集成到調理電路上，將模擬信號直接傳輸轉換為數字信號傳輸，進一步降低干擾。ADC 轉換單元與數據采集接口連接，實現數據采集功能。供電單元主要實現將火箭測試平臺電源系統提供的12 V 直流電壓，轉換為調理電路上4 通道可調增益放大單元、低通濾波器和ADC 轉換單元所需要的供電電壓功能。

2 信號調理電路設計

2.1 傳感器供電單元設計

調理電路單板上傳感器供電單元要對4 個通道脈動壓力傳感器進行同時供電，采用LT 公司LT1763可調電壓輸出型芯片進行設計。該芯片最大輸出電流高達500 mA，可滿足傳感器供電的需求，同時還留有一定余量，滿足可靠性降額設計要求。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LT1763 數據手冊可知，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）計算，得到Vo=10.065 V。即可以實現傳感器供電電壓為(10±0.1) V，根據芯片手冊推薦電路，取C1=0.01 μF，C2=10 μF，C3=1 μF，實現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壓器，有 4 mm×3 mm 的DFN 封裝形式，體積很小，適用于小型化設計場合。同時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 濾波網絡及可調增益放大單元設計

考慮到脈動壓力傳感器的線纜有一定的長度，傳感器信號傳輸環境不可避免地會存在射頻干擾。如果不在儀表放大器輸入前端進行處理，其輸出后端會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的，這會對脈動壓力的微弱信號造成干擾，從而影響測量。為此，在可調增益放大單元前端引入RFI 濾波器，抑制測量環境中射頻干擾對電路輸出的影響。RFI 濾波網絡和可調增益放大單元電路設計如圖3 所示。

圖3 RFI 濾波網絡及可調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，脈動壓力傳感器的輸出差分信號端S+和S-，先經過RFI 濾波網絡，再送入可調增益放大單元。

RFI 濾波網絡由2 個R4、2 個C4和1 個C5組成，主要實現RC 低通濾波的功能，該濾波網絡限制了輸入信號的帶寬，通過設計合適的R4、C4和C5的數值，可以設置不同的信號低通濾波截止頻率。

信號低通濾波截止頻率與R4、C4和C5的關系為：

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

同時，C4和C5的關系應滿足式（4）：

根據調理電路帶寬設計指標：BW=DC～30 kHz（-3 dB），選擇R4=2.4 kΩ，C4=100 pF，C5=1000 pF，帶入式（2），計算得到差分信號低通濾波器截止頻率約為33 kHz，即可滿足電路帶寬的設計要求。

可調增益放大單元是基于AD8422 儀表放大器進行設計的，儀表放大器輸入阻抗高，廣泛應用于測量系統中[7]。為了拓寬儀表放大器的輸出范圍，采用正負雙電源進行供電設計，保證輸出信號動態范圍。通過調節增益電阻RG值，可以設置電路的放大倍數G。電路放大倍數G與增益電阻RG的關系為：

根據脈動壓力傳感器不同量程10、15、25 PSI下的放大增益需求，設計不同的增益電阻RG，即可實現不同量程傳感器的調理放大。即用1 種電路結構實現了多種量程傳感器信號調理放大，達到了通用化的設計目的。

同時，AD8422 上預留了REF 引腳，用于在放大后的輸出信號上疊加合適的偏置電壓VREF，使用時該引腳應連接低阻抗輸出點[8]。

最終放大電路輸出信號Vout計算公式見式（6）：

2.3 低通濾波器及ADC 轉換單元設計

調理放大后的信號，在送入ADC 轉換單元前，需對信號進行模擬低通濾波[8-10]，由于信號調理單板的尺寸受限，僅設計了一階有源低通濾波器如圖4 所示。取R5=4.7 kΩ，C6=1000 pF，計算得到低通濾波器截止頻率設計值為33.8 kHz，滿足帶寬設計指標要求。低通濾波的信號經運放跟隨輸出到AD7980 的模擬單端輸入端，進行信號的采集。

由于一階抗混疊濾波器的衰減特性不好，為了實現抗混疊濾波的效果，在數據采集端口采樣率設計為實際采樣率的8 倍，然后再對信號進行8 點取平均，得到最終的測量結果。這樣在硬件尺寸受限的條件下，采用軟件的方式彌補了濾波器衰減特性的不足。

AD7980 芯片需外置提供電壓基準，選用ADI 公司的ADR4550 高精度電壓基準芯片，對AD7980 提供5 V 的電壓基準，單片ADR4550 可以在一塊信號調理單板上提供4 通道AD7980 的電壓基準，顯著優化設計空間和元器件使用數量。

3 實驗驗證

3.1 本底噪聲測試

為了獲得信號調理電路的本底噪聲水平，采用多通道數據采集及回收裝置對脈動壓力調理信號進行數據采集和回讀。測試中，量程為15 PSI 的某一通道脈動壓力信號調理電路輸出波形如圖5 所示。其中脈動壓力傳感器處于大氣環境中，該通道脈動壓力調理電路靜態噪聲約為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，表明目前設計的脈動壓力微弱信號調理電路的本底噪聲約為7 μV。由于大氣環境中壓力也在時刻發生波動，本底噪聲的評估工作還需要進一步優化。

3.2 風洞實驗驗證

圖5 電路本底噪聲測試Fig.5 Circuit background noise test

在中國空氣動力發展與研究中心開展了風洞驗證實驗。風洞實驗原理為通過在模型的對稱位置布置風洞測試系統的測點，對比驗證脈動壓力信號調理電路在高速氣流與真實安裝狀態下的測量準確度。

在風洞實驗中，獲得了不同攻角、不同馬赫數下多個測點的脈動壓力測試數據，并經過換算得到了脈動壓力系數。在2 Ma、0°攻角條件下，得到6 個測點的測量對比結果（見圖6）。脈動壓力系數A1為設計的脈動壓力調理電路測量結果，脈動壓力系數B1為其對稱位置處脈動壓力數據采集及分析處理系統獲得的測量結果。

圖6 風洞實驗脈動壓力系數測量結果對比Fig.6 Comparison of measurement results of fluctuating pressure coefficient in wind tunnel experiments

分析、比對設計的脈動壓力信號調理電路與對稱位置處脈動壓力設備的測量結果可知：脈動壓力系數最大誤差為0.05%，表明設計的多通道脈動壓力微弱信號調理電路能夠滿足火箭測試平臺多通道脈動壓力測試需求。

4 結論

1）以AD8422 儀表放大器為核心放大電路單元，設計RFI 濾波網絡抑制射頻干擾，通過可調增益放大器實現不同增益的通用化設計。硬件一階低通濾波器和軟件高采樣率設計實現抗混疊濾波，集成ADC 轉換單元實現模擬信號的數字化傳輸。實現了4 個通道調理電路尺寸40 mm×35 mm 的小型化設計。通過組合化設計，實現了40 通道脈動壓力微弱信號調理電路設計。

2）獲得了脈動壓力微弱信號調理電路本底噪聲水平，約為7 μV。通過風洞實驗表明，設計的脈動壓力信號調理電路能夠滿足火箭測試平臺多通道脈動壓力測試需求。