水聲微弱信號調理電路設計*

陳亞輝

(中國船舶重工集團第七一五研究所 杭州 310012)

水聲微弱信號調理電路設計*

陳亞輝

(中國船舶重工集團第七一五研究所 杭州 310012)

論文介紹一種水聲微弱信號的調理電路設計,該電路具有電源模塊、放大模塊和濾波模塊。通過仿真和測試表明該電路等效輸入噪聲低,能有效地對微弱信號進行放大和濾波。

調理電路; 低噪聲; 帶通濾波器; 微弱信號

(The 715th Research Institute of CSIC, Hangzhou 310012)

Class Number O427

1 引言

進入新世紀以來,無論是在民用領域的海洋開發利用,還是在軍事領域的危險目標探測,水下目標的定位和識別越來越重要[1]。水下目標信息的主要是通過聲波傳輸,聲波中的信息通過水聽器轉換成電信號,此時水聽器輸出的電信號不僅微弱,而且還摻雜各種噪聲源產生的噪聲,使得目標信號不易提取。本文針對這種微弱信號進行低噪聲、無失真放大調理,從大量的噪聲中提取水聲的電信號。

2 調理電路設計與仿真

水聽器輸出的信號是毫伏量級甚至是微伏量級,大量的背景噪聲和目標自噪聲摻雜在信號中,為了將微弱信號從噪聲中提取出來信號調理電路必須具有良好的本底噪聲和降噪設計,降低噪聲需要從噪聲源、耦合路徑等綜合考慮[4]。調理電路主要由三個功能模塊組成,其原理框圖如圖1所示。

圖1 信號調理電路原理框圖

電源模塊是將外部鋰電池供電電壓進行轉換,為放大電路和濾波電路提供低紋波電源。前置放大電路通過低功耗、低噪聲運算放大器將水聽器輸出信號電壓放大,提高信號的信噪比。二級放大通過運放使得信號滿足采集電壓的幅度要求。濾波電路通過低噪聲運算放大器搭建有源濾波器,提高水聲信號采集質量。

2.1 電源模塊

外部鋰電池的供電電壓為10.8V,需要通過芯片將供電電壓轉換為5V,5V電壓作為放大模塊和濾波模塊的供電電源。電源轉換芯片選取ADP7118,它是ADI公司的低噪聲、CMOS LDO線性穩壓器,噪聲低至11μVrms,100kHz時電源印制比達到68dB。穩壓電路原理圖如圖2所示。

圖2 穩壓電路原理圖

其中C1和C2作為輸入旁路電容將外部引入電壓的雜波噪聲濾除,同時還可以降低電路對PCB布局的敏感性。C3和C4作為輸出電容,可以改善芯片對大負載電流變化的瞬態相應,同時可以減少外部電源引入的電網噪聲,有效降低電路的本底噪聲。D1是保護二極管,防止電路異常,或出現反向脈沖電壓,輸出端電壓高于輸出端時,二極管導通,避免反響電壓加在芯片上,保護穩壓芯片的安全。

2.2 前置放大電路

前置放大電路主要是放大水聽器信號,提高信號的信噪比,同時有效抑制引入的共模干擾噪聲,并減少自身產生的附加噪聲[5～7]。

為了減少放大電路中元器件帶來的熱噪聲,選取的運算放大器功耗比較低,電阻的阻值比較小;為了減少電子元件本身的噪聲影響,設計的電路盡量簡單。壓電型水聽器具有比較高的輸出阻抗,為了獲取信號需要通過高輸入阻抗放大器進行前置放大。根據這些要求選取的放大器必須是單電源供電、高精度、低噪聲、高輸入阻抗和低輸出阻抗,本文選擇MAX公司的MAX4477芯片,該芯片的主要特性有:輸入噪聲;輸入阻抗達到1000GΩ(差模),可以保證水聽器信號不失真進入模擬接收通路;共模抑制比達到115dB,這樣可以有效地減少共模干擾的影響;增益帶寬積達到10MHz。

本文中采用的放大電路通過運放和電阻組成深度反饋電路實現反相比例電路[3],因為運放是單電源供電,需要在運放的正向輸入端加上2.5V直流偏移電壓,同時為了消除水聽器的直流偏置,在運放輸入信號前端加一個隔直電容,前置放大電路原理圖如圖3所示。

圖3 前置放大電路原理圖

取R5=2K,R6=100K,C1=0.1μF；輸入端平衡電阻滿足:R4=R5‖R6≈2K；電壓放大倍數為:A1=-R6/R5=-50。

2.3 二級放大電路

為了將毫伏量級的電壓轉化為伏量級,前置放大的倍數為50,二級放大電路的倍數設計為10。二級放大電路仍然通過運放MAX4477構成反相比例電路。電路原理圖如圖4所示。

圖4 二級放大電路原理圖

取R8=10K,R9=100K；輸入端平衡電阻滿足:R7=R8‖R9≈9.09K；電壓放大倍數為:A2=-R9/R8=-10；總的電壓放大倍數為:A=A1×A2=500。

2.4 濾波電路

由于水聽器制造工藝的原因,使得信號中含有高頻噪聲,同時海洋環境復雜,信號中含有低頻噪聲,這些高低頻噪聲的影響使得提取的信號含有大量的毛刺。為了保證上層有采集到有效的信號,電路中必須設計帶通濾波器消除高低頻噪聲干擾。濾波器的類型有很多,根據系統的要求,信號在通帶內盡量平緩,起伏越小越好,所以采用巴特沃斯型濾波器。本文采用由高通濾波器和低通濾波器串聯組成帶通濾波器。常用的濾波器類型有正反饋型有源濾波器和多重反饋型有源濾波器,與正反饋型相比多重反饋型更有利于實現良好失真特性,輸出電阻小,多級相聯間相互影響小等特點[2]。本文通過運算放大器、電阻和電容搭建多重反饋型巴特沃斯濾波器,濾波器的運放仍然采用MAX4477芯片,帶通濾波器的上下截止頻率分別為100Hz和5kHz,Q值為0.707。帶通濾波器原理圖如圖5所示。

對于二階低通濾波器,取Rf=R10=R11=R12=10K,f=5kHz；Cf=1/2πRff=3.19nF；C7=3QCf=6.77nF≈6.8nF；C6=Cf/3Q=1.5nF。

對于二階高通濾波器,取Cf=C8=C9=C11=22nf,f=100Hz；Rf=1/2πCff=72.38K；R14=3QRf=153.5K≈154K；R13=Rf/3Q≈34.1K=34K。

通過Multisin10軟件對電路進行仿真,仿真波特圖如圖6所示。通帶范圍內帶內起伏平坦,通帶內增益基本為1,上截止頻率為4.984kHz,下截止頻率為100.2Hz,帶外衰減達到-12dB/oct,仿真表明設計的帶通濾波器滿足要求。

圖5 帶通濾波器原理圖

圖6 仿真波特圖

3 實驗測試及分析

為了驗證設計的電路是否能夠對微弱信號進行處理,需要對板卡的功能模塊進行測試,主要包括放大電路和濾波電路測試。

3.1 放大電路測試

信號發生器產生頻率1kHz、峰值10mV的正弦波信號連接到板卡,為了觀察前置放大和二級放大是否滿足要求,通過示波器觀察輸入信號和放大輸出信號如圖7所示。信號經放大后輸出頻率1kHz,峰值4960mV的正弦波,波形完整平滑,無毛刺,同時輸入輸出波形相位一致,說明放大電路滿足總增益500倍要求。

圖7 放大電路測試圖

3.2 濾波電路測試

信號發生器的幅值10mV不變,改變信號頻率對濾波電路進行測試,在30Hz～20kHz的頻帶內進行人工掃頻測試,用示波器觀察各頻點時的濾波電路輸出電壓峰值,測試結果如表1所示。

表1 濾波電路測試結果

由于信號經放大電路后傳送到濾波電路中,等效濾波電路輸入端接入幅值1V的正弦波,由上表中數據可知:200Hz～3kHz時帶內起伏很小;輸入信號頻率100Hz時,輸出信號產生-3.12dB的衰減,輸出信號頻率5kHz時,輸出信號產生-3.22dB的衰減;同時通帶外都能按12dB/倍頻程衰減,符合二階帶通濾波器的特性。實測數據與仿真結果相似,說明濾波電路滿足要求。

4 結語

水聽器輸出信號微弱,同時含有大量的環境噪聲,不能直接進行信號采集。本文針對這個特點,設計出一種低噪聲、高增益的信號調理電路。通過實際電路測試,該板卡的等效輸入噪聲控制在5μV,表明調理電路在噪聲、增益、通帶等特性符合要求,能將通帶外的噪聲有效的濾除,并且在降低輸出信號的共模噪聲的同時提高信號的輸出幅值,使得信號符合后面采集電路的要求。通過更改放大電路的增益和濾波電路通帶,調理電路可廣泛用于普通微弱信號的采集電路設計,表明該電路具有良好的通用性。

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Preconditioning Circuit for Underwater Acoustic Weak Signal

CHEN Yahui

This paper introduces a kind of underwater acoustic weak signal conditioning circuit design. The circuit has a power supply module, amplifier and filter module. The simulation and test show that the circuit equivalent input noise is low, and the circuit can amplify and filter the weak signal effectively.

conditioning circuit, low noise, band pass filter, weak signal

2016年6月10日,

2016年7月27日

陳亞輝,男,助理工程師,研究方向:聲納浮標電路設計。

O427

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.040