矢量水聽器信號模數轉換電路設計與實現?

孫巍韓梅

（海軍潛艇學院 青島 266071）

矢量水聽器信號模數轉換電路設計與實現?

孫巍韓梅

（海軍潛艇學院 青島 266071）

為實現對矢量水聽器信號的模數轉換，設計一種高精度四通道模數轉換電路。電路功能包括矢量水聽器輸出信號的濾波處理、電壓調節以及模數轉換。電路自身體積小、功耗低，適合應用在水下無人探測平臺。

矢量水聽器；模數轉換；濾波電路；電壓調節

C lassNum ber TP301

1 引言

目前在水下目標探測領域，矢量水聽器作為一種高靈敏度的聲電換能器，常應用于聲納等水聲探測設備。矢量水聽器可以同時測量水下聲場中的聲壓標量信號和振速矢量信號，能夠為信號處理系統提供更全面的聲場信息［1］。通常，目標的噪聲信號在遠距離傳播過程中能量衰減巨大，信號強度微弱。為了獲取精確的聲場信息，前端信號的數據采集精度需要達到相應水平。

在實際工程中，模擬信號采集通常需要模數轉換器來實現數字化過程。本文結合AD轉換器等相關芯片的使用手冊設計出滿足性能指標的模數轉換電路。在硬件設計中采用適當的降噪措施，減小其他噪聲對數據采集精度的影響。

2 電路設計原理

論文根據設計指標對電路的具體功能和主要參數進行了分析和計算，該電路主要完成對矢量水聽器的信號調理和模數轉換。主要器件有放大器、降壓型穩壓器以及AD轉換器。由于模數轉換電路易受到噪聲影響，論文采取的降噪措施包括：電源轉換電路中采用線性穩壓器，減小電源紋波；濾波電路中采用差分輸入方式，消除信號中的共模噪聲；在帶通濾波設計中，利用電壓跟隨器隔離噪聲，降低AD輸入通道的噪聲引入；在PCB布局設計中對模擬地和數字地進行分割［2］，防止高頻數字電路對模擬電路產生影響。

2.1 模擬信號調理電路設計

模擬信號調理電路包括濾波電路和電壓調節電路。根據矢量水聽器的工作帶寬和尺寸要求，選用增益可控儀表放大器和高精度運算放大器設計帶通濾波器和電壓調節電路。利用AD1274的輸出參考電壓調節模擬信號的幅值范圍，模擬信號調理電路框圖如圖1所示。

圖1 模擬信號調理電路框圖

2.1.1 帶通濾波器與電壓調節電路

該部分電路設計中采用一階高通濾波器和二階低通濾波器組合成帶通濾波器［3］。為了防止模擬信號的幅值產生較大衰減，一階高通濾波器的電阻選用大阻值電阻。差分的輸入方式可以有效的抑制共模噪聲。二階低通濾波器中的電壓跟隨器起到隔離噪聲和提高帶負載能力的作用。帶通濾波器原理圖如圖2所示。

2.1.2 電壓調節電路

電壓調節電路選用美國模擬器件公司所生產的AD8221精密儀表放大器和OP2177精密運算放大器。AD8221是一種增益可控儀表放大器，在同類產品中共模抑制比最高，可以抑制寬帶干擾和線路諧波［4］。OP2177具有極低失調電壓、低輸入偏置電流、低噪聲及低功耗等優良特性［5］。兩種精密器件廣泛應用于數據采集、航空航天儀器等領域。本文利用增益可調電阻、參考輸出端以及AD1274自身輸出的2.5V參考電壓調節模擬信號的幅值范圍，原理圖如圖3所示。

圖2 帶通濾波器原理圖

圖3 電壓調節電路原理圖

AD8221的7引腳和6引腳分別為OUTPUT和REF端，橋路1由R34和R35組成，根據理想放大器在線性放大的工作條件下的輸入端可以看成近似短路［6］，可以得到節點1的電壓約為2.5V，橋路2由R37，R36和R38組成，其阻值比為2：1：2，R36兩端的電壓差為±2.5V，由于節點1和節點2處于所屬兩個橋路的相同壓降位置，R36的兩端電壓波動中心點被調整為2.5V，使得R36兩端的信號幅度被調整為0～5V。

2.2 供電電源設計

水密罐體內的供電電源分別輸出±16V和+5.5V兩種直流電源。為了滿足供電需求，先對±16V電壓進行降壓處理，AD1274的AVDD，IOVDD，VREFP，DVDD 引腳分別需要接+5V，+3.3V，+2.5V，+1.8V。其中 5V轉為 2.5V選用REF5025AIDR芯片［7］，3.3V轉1.8V選用低壓差線性穩壓器XC6219B182MR，工作電壓2.0～6.0V，穩定電壓為1.8V（±2%），器件內部包含參考電壓源、誤差運算放大器、驅動三極管以及相位補償電路［8］。10.24Mhz晶振在3.3V供電下為ADS1274提供工作時鐘。其電壓轉換關系如圖4所示。

圖4 電源電壓轉換框圖

2.3 模數轉換器工作電路設計

2.3.1 AD轉換器選型

本文首先對不同類型的AD轉換器性能特點做了比較，目前常用的AD轉換器類型包括：SAR型、Delta-Sigma型、Pipeline型［9］。三類AD轉換器的轉換速率和分辨率參數如表1所示。

表1 三種AD轉換器主要性能參數

根據表1中的參數可以選定Delta-Sigma型AD轉換器，在TI公司提供的產品篩選欄中輸入參數，例如：通道數、采樣率以及采樣精度等可以找到符合要求的ADS1274器件。經過理論計算，AD1274能夠測量的絕對最小電平可以達到0.3μV，低于矢量水聽器的最低測量電壓，其他電氣參數能夠滿足設計要求，選用該模數轉換器作為電路的核心器件。

2.3.2 AD轉換器模式配置電路

ADS1274的操作模式有四種，包括高速模式、高精度模式、低功耗模式以及低速模式，每種模式下都可以進行四路信號同步轉換，輸出方式采用SPI接口協議［10］。其模式配置電路框圖如圖5所示。

其中AINP［3：0］和AINN［3：0］為接收模擬電信號的差分輸入引腳，AVDD和AGND為模擬信號通道的供電引腳，DVDD和DGND為數字信號輸出通道的供電引腳。MODE［1：0］引腳可以選擇AD1274的工作模式，這里選擇高精度轉換模式。SPI模式下數據輸出寬度為1bit，DOUT1為數字信號輸出端，根據引腳FORMAT［2：0］的功能說明，選用TDM模式（時分復用模式），四個模擬通道24位AD轉換數據由DOUT1口依次輸出。與其他主控芯片完成數據交換的控制接口有SCLK，DRDY和SYNC，其中SCLK作為芯片間的同步時鐘；DRDY作為接收主控的命令端口，等待主控發出的命令；SYNC作為芯片使能，控制數據交換的開始和結束。

圖5 AD1274模式配置電路框圖

2.4 印制電路板設計

由于電源種類較多，PCB采用四層設計方式［11］，具體實物圖及布局設計如圖6所示。Top layer主要放置儀表放大器、貼片0805電阻、大體積電解電容以及AD轉換器。在濾波布局中，為了盡量避免相位差，在元件放置時采用對齊方式，盡量使得四路濾波器結構保持一致；Intersignal_1是中間層，在該層中布置了±12V的供電電源線，利用地平面屏蔽干擾；Intersignal_2中包括模擬地、數字地、+3.3V和＋5V電源平面，在模數混合電路中為了避免數字電路對模擬電路產生影響，采用數字地和模擬地分開的方式，這樣可以有效降低電路自噪聲，保證采集數據的準確性；Bottom layer主要放置去耦電容、旁路電容以及降壓穩壓器。在電源轉換的電壓輸出端口處進行鋪銅并設置多個過孔，減小從頂層到底層的阻抗，提高電源引腳的載流能力。兩組2mm雙列直角排針用于連接供電電源板和其他信號處理板。

3 性能測試

為了檢測電路板的性能參數，論文分別做了模擬信號還原實驗和濾波器截至頻率測試實驗。為了防止輸入信號幅值過大而損壞電路，使用信號發生器產生100mV，1KHz的正弦波模擬工作頻帶內的目標信號，數據采集設備通過串口將采樣數據上傳至PC機，利用Matlab軟件對采集數據進行FFT變換［12］，繪制出的頻譜圖如圖7所示。

圖6 成品實物圖及四層PCB設計

圖7 100mV，1Khz正弦信號采集數據的FFT仿真結果

從圖中可以看到，1KHz的信號幅度達到±91.3mV，信號產生衰減的主要原因在于信號調理電路的輸入輸出端口都有等效負載阻抗。根據仿真結果，數據采集的信號頻率與原始模擬信號頻率完全一致。

為了驗證濾波效果，將100mV的正弦信號頻率設定為50Hz和5KHz，用于模擬噪聲信號，在其他條件不變的情況下，其頻譜圖如圖8所示。

從圖像中可以看出，在50Hz和5KHz的正弦信號幅度分別衰減為45.47mV和63.8mV，截止頻率處的衰減率達到設計要求。

圖8 50Hz和5KHz正弦信號采集數據的FFT仿真結果

模數轉換模塊的主要指標參數如表2所示。

表2 電路主要技術指標

4 結語

論文根據性能指標設計了一種高精度模數轉換模塊，該模塊由模擬電路和數字電路兩部分組成。模擬電路主要進行信號調制，利用增益可控放大器，電橋和2.5V偏置電壓調節電壓范圍。二階低通濾波與電壓跟隨器的組合使得高頻噪聲衰減效果更顯著。數字電路主要完成模擬信號的數字化，AD轉換器的分辨率為24bit，采樣頻率可以達到52kSPS，其工作模式可以根據要求進行切換。在保證采樣精度的條件下，轉換速度比同類積分型模數轉換器的更快。為了提高信噪比，PCB采用合理的布線布局和電平面，降低信號傳遞過程中的阻抗和信號線之間的干擾。根據實驗對相關性能的測試結果，該模塊的各項性能達到要求。

［6］Analog Device.OP1177/OP2177/OP4177，2002：1-20.

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Design and Im p lem entation of Analog to DigitalConversion Circuit for Vector Hydrophone

SUNWei HANMei
（Navy Submarine Academy，Qingdao 266071）

In order to achieve the analog to digital conversion of vectorhydrophone signal，a high-precision four channels conversion circuit is designed.The circuitcan complete the analog signal filtering，voltage regulation and high-precision analog-to-digital conversion.With the advantages of small size and low power consumption，the circuit is suitably applied to the underwater unmanned platform.

vectorhydrophone，analog-to-digitalconversion，filter circuit；voltage regulation

TP301

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.032

2017年3月10日，

2017年4月29日

孫巍，男，碩士研究生，研究方向：矢量水聽器信號采集與處理。韓梅，女，碩士研究生，教授，研究方向：水聲環境效應。