水聲傳感器調理電路設計

林駿橋， 馬淑欣， 王旭光

（1.湖北大學 人工智能學院， 湖北 武漢 430062； 2.太原師范學院 計算機科學與技術學院， 山西 晉中 030619）

0 引 言

隨著經濟的發展和技術的日新月異，人類的陸地資源越來越匱乏，而海洋中蘊含著豐富的能源資源，能夠滿足人類社會發展的需要，所以海洋探測和水下目標的定位和識別意義重大[1]。水聲傳感器可將采集的水聲信號轉化為電信號，但此時的輸出信號非常微弱，且由于水下環境復雜，常常會受到海洋環境中各種噪聲的干擾，無法準確地提取信號。因此需要對水聲傳感器的輸出信號先進行調理，再送入后級電路進行采集。由于調理電路自身的噪聲會直接影響有用信號的測量精度，故調理電路中的前置放大電路部分必須進行低噪聲設計[2]。基于此，本文設計了一種低噪聲、高性能的信號調理電路。

本文采用亞德諾半導體（ADI）公司的AD8421 芯片進行前置放大。該芯片是一款低成本、低功耗、極低噪聲、超低偏置電流的高速儀表放大器，其優異的噪聲性能可以極大地降低調理電路的自噪聲，從而提高信號的可靠性。濾波電路和單端轉差分電路采用亞德諾半導體（ADI）公司的AD8022 芯片，該芯片是一款低功耗、低噪聲、低偏置電流的運算放大器。通過電路仿真設計與實際加工測試可知，該調理電路實現了固定增益20 dB，等效輸入噪聲2 μVrms 以內，截止頻率處衰減小于1 dB，同時能將通帶外的噪聲有效去除，保證目標信號符合后級采集電路的要求，可以廣泛應用于微弱信號的采集系統。

1 電路設計與仿真

水聲傳感器調理電路包括阻抗匹配與差分保護電路、前置放大電路、四階高通濾波電路、二階低通濾波電路、轉差分電路，整體電路結構如圖1 所示。

圖1 水聲傳感器調理電路結構框圖

1.1 阻抗匹配與差分保護電路

阻抗匹配的目的是從水聲傳感器處獲得最大的目標信號，要想達到這樣的效果，必須要求調理電路的等效輸入阻抗遠遠大于水聲傳感器的輸出阻抗[3]。具體實現阻抗匹配的方法有很多種，本設計考慮到電路結構簡單和電路功能的實用性，在模擬信號輸入端采用RC 耦合來實現水聲傳感器與后級電路之間的阻抗匹配，其中的電容可以阻斷模擬信號中的直流信號，避免直流分量對目標信號的影響。阻抗匹配電路如圖2 所示。

圖2 阻抗匹配電路

在水下環境監測到的目標信號非常微弱，通常處于微伏級別，但在微弱信號中可能會有因受外部干擾而存在的瞬時電壓脈沖尖峰信號。該信號電壓幅度較大，可能會超出后級電路所允許的輸入電壓范圍，對后級芯片和其他元器件造成影響[4]。為了避免瞬時電壓脈沖尖峰信號的影響，本文設計如圖3 所示的差分保護電路。

圖3 差分保護電路

圖中D1、D2是型號為1N4148 的開關二極管。其正向導通和反向阻斷之間的反應速度比其他二極管快，一般用于信號輸入端保護電路。根據芯片手冊可知，該型號開關二極管的開關速度最快可以達到4 ns，最大反向工作電壓為100 V。與普通的開關二極管相比，該二極管極大地提高了輸入信號的幅度范圍，可以靈活運用在不同測試場景中。

1.2 前置放大電路

前置放大電路的作用是將水聲傳感器采集到的模擬信號進行放大，以提高信號的抗干擾能力，減少共模噪聲的干擾，便于模擬信號在后級電路中的處理。考慮到放大電路既要對小信號進行放大，又要保證大信號不失真，所以將前置放大電路的固定增益設為20 dB。在模擬電路中，各級電路噪聲不會消失且會隨著信號傳遞，對下一級電路造成影響。由于噪聲指標是不大于2 μVrms，而最能影響系統整體噪聲的是前置放大電路，所以要盡量降低前置放大電路的噪聲干擾。本設計采用儀表運算放大器來搭建前置放大電路，儀表運放具有極高的共模抑制比、高輸入阻抗，可以很好地對差模信號進行放大。前置放大電路如圖4 所示。

圖4 儀表運放前置放大電路

本文選用的儀表運放為亞德諾半導體（ADI）公司的AD8421 芯片，該芯片是一款低成本、低功耗、極低噪聲、超低偏置電流的高速儀表放大器，特別適合各種信號調理和數據采集應用。這款產品具有極高的共模抑制比，可以在寬溫度范圍內提取淹沒在高頻共模噪聲中的低電平信號。前端經過保護電路傳來的差分信號進入芯片的1 腳和4 腳，信號經過固定增益放大后，以單端的形式從7 腳輸出。2 腳與3 腳相連的電阻R3是增益反饋電阻，通過調節R3的阻值，可實現電路不同的放大倍數。芯片的5 腳和8 腳是電源引腳，其中5 腳接負電源，8 腳接正電源。電路采用的是±5 V 雙電源供電，正負電源引腳分別并聯10 μF 和0.01 μF 電容，可以消除電源中的噪聲影響[5-7]。芯片的6 腳是基準電壓引腳，本設計中該引腳接地。根據芯片手冊可知，反饋電阻與放大倍數的關系如下：

式中：G為電路放大倍數；RG為反饋電阻阻值。由于本設計中前置放大為固定增益20 dB（10 倍），可求得R3=1.1 kΩ。

1.3 濾波電路

由于水下環境極其復雜，水聲傳感器接收到的有用信號通常會摻雜著受水下環境中高低頻噪聲干擾的無用信號。為了濾除無用信號只保留有用信號，本文設計帶通濾波電路來消除高低頻噪聲。根據電路設計時所用元器件的不同，可將模擬濾波電路分為無源濾波器和有源濾波器。無源濾波器通常是由電阻、電容、電感等無源器件構成，而有源濾波器則包含運算放大器等有源器件。對無源濾波器與有源濾波器的主要特點進行比較，如表1 所示。

表1 無源濾波器與有源濾波器的主要特點對比

有源濾波器的階數越高，濾波效果越接近理想磚墻式濾波器。根據響應類型，可將濾波器分為巴特沃斯型濾波器、切比雪夫型濾波器、貝塞爾型濾波器等三種。由于巴特沃斯型濾波器具有最平坦的通帶區間，而且設計簡單，所以本文設計了一種由四階有源SK（Sallen-Key）高通濾波器與二階有源MFB（多路反饋）低通濾波器級聯形成的高階有源巴特沃斯型帶通濾波器[8-9]。

1.3.1 四階有源SK 高通濾波器設計

本文設計的四階有源SK 高通濾波器是由兩級包含4 個阻容元件的二階SK 型高通濾波器級聯構成，其中二階SK 高通濾波電路如圖5 所示。

圖5 二階SK 高通濾波電路

根據基爾霍夫電流定律，對節點1 和節點2 列節點方程如下：

式中：U1為節點1 的電壓；U2為節點2 的電壓；Ui為輸入端電壓；Uo為輸出端電壓。

將式（2）、式（3）聯立可得電路的傳遞函數為：

通過查閱高階濾波器系數表可知，兩級二階高通濾波器的Q值分別為0.541 和1.307。取C7=C8= 1.5 μF時，計算電路各級2 個電阻的阻值，在滿足電路性能指標的同時，既要保證能夠購買到對應阻值的電阻元件，又要適當降低電阻的阻值，從而減小高通濾波電路中的噪聲[10-12]。SK 高通濾波器電路元件參數值如表2 所示。

表2 SK 高通濾波器電路元件參數

四階有源SK 高通濾波器仿真電路如圖6 所示，其幅頻響應仿真結果如圖7 所示。

圖6 四階有源SK 高通濾波器仿真電路

圖7 四階有源SK 高通濾波電路幅頻響應仿真結果

1.3.2 二階有源MFB 低通濾波器設計

本文設計的二階有源MFB 低通濾波器仿真電路如圖8 所示，它與SK 型的結構不同，屬于反相輸入多路反饋濾波器。該電路是由3 個電阻、2 個電容和1 個運算放大器組成[13]。二階MFB 低通濾波器的截止頻率fc為：

圖8 二階有源MFB 低通濾波器仿真電路

已知截止頻率fc、品質因數Q、增益Am，只需確定阻容值參數。為了計算簡便，在電路實際設計時，常常會將電路中的3 個電阻選擇相同的阻值，同時為了降低電路中的噪聲，一般取R8=R9=R10= 10 kΩ。其中電容的值需滿足以下關系式：

從而可以計算得到C11= 47 pF，C12= 10 pF。

所設計的二階有源MFB 低通濾波電路幅頻響應仿真結果如圖9 所示。

圖9 二階有源MFB 低通濾波電路幅頻響應仿真結果

1.4 單端轉差分電路

前級差分信號經過前置放大電路、濾波電路處理后，輸出變為單端模擬信號。由于單端模擬信號在長距離傳輸過程中很容易受到干擾，而差分信號傳輸具有能有效抵抗外部共模干擾、抑制偶次諧波失真等特點，在信號的長距離傳輸中比單端信號形式更具有優勢，因此本文中設計了單端轉差分電路，使調理電路的最終信號輸出為差分形式。單端轉差分電路結構如圖10 所示。

圖10 單端轉差分電路設計

根據運放的“虛短虛斷”特性可知：

當R12=R11時，VOUT= -VIN，即輸出信號與輸入信號幅值相等，相位相差180°。在實際設計中，一般令R11=R12=R13= 10 kΩ，實現單端轉差分的目的。單端轉差分電路仿真結果如圖11 所示。

圖11 單端轉差分電路仿真結果

2 實驗測試與分析

為了檢驗所設計的水聲傳感器調理電路的性能，對制板焊接之后的電路板實物進行了功能模塊測試，主要包括放大電路測試、濾波電路測試和短路等效輸入噪聲測試。

2.1 放大電路測試

信號發生器輸出10 kHz、100 mVpp 的正弦波信號，接到調理電路板的輸入端，通過數字示波器觀察輸出信號幅值是否滿足增益20 dB 的要求。由數字示波器顯示的輸入信號和放大之后的輸出信號如圖12 所示。

圖12 前置放大電路增益測試結果

由圖12 可知：信號經過前置放大后，變成輸出頻率為10 kHz、幅度為峰峰值1 V 的正弦波，波形完整平滑，增益為20 dB，相位一致性良好，滿足放大電路的設計要求。

2.2 濾波電路測試

信號發生器輸出幅值為100 mVrms 的信號，在50 Hz～1 000 kHz 頻帶內對濾波電路進行掃頻測試，用六位半數字交流毫伏表測量各頻點濾波電路輸出的電壓有效值，并用數字示波器觀察輸出信號波形，測試結果如表3 所示。

表3 帶通濾波電路幅頻響應測試結果

由表3 數據可知：在100 Hz～500 kHz 的濾波器通帶內，幅頻響應平坦度小于1 dB，輸入信號在截止頻率100 Hz 時，輸出信號的衰減為-0.91 dB，在截止頻率500 kHz 時，輸出信號的衰減為-0.72 dB，滿足濾波電路的設計要求。

2.3 短路等效輸入噪聲測試

短路等效輸入噪聲測試是將調理電路板的輸入端短接到地，輸出端接測試用1 000 倍放大工具板，用六位半數字交流毫伏表測量1 000 倍放大板的差分輸出，然后折算成調理板的等效輸入噪聲，測試結果如表4 所示。

表4 短路等效輸入噪聲測試結果

3 結 論

水聲傳感器的輸出信號微弱，同時會受到外部噪聲干擾，不能直接進行信號采集。本文針對這一特點，設計了一種低噪聲、高性能的信號調理電路。通過電路仿真設計與實際加工測試可知，該調理電路實現了固定增益20 dB，等效輸入噪聲2 μVrms 以內，截止頻率處衰減小于1 dB，同時能將通帶外的噪聲有效去除，保證目標信號符合后級采集電路的要求，可以廣泛應用于微弱信號的采集系統。

注：本文通訊作者為王旭光。