一种模拟信号预处理机的设计与实现＊

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1 引言

模拟信号预处理是声纳系统中的重要环节。接收换能器基阵把声回波信号转换成电信号，由于回波经过传输信道的衰减，又加上海洋环境复杂，背景噪声干扰，所以回波信号很弱，而噪声很强。为能顺利地把回波信号转换成数字信号，进行数字信号处理，就要把接收到的微弱回波信号进行预处理，把回波信号变为能够顺利进行模数转换的稳定信号，并滤除噪声，保留有用信号［1］。

在综合考虑声纳全系统设计的基础上，对模拟预处理机系统的信号放大部分、滤波器系统及电源抗干扰系统展开了研究，并给出了设计方案。

2 放大系统设计

由于回波信号很弱，模拟信号预处理的放大倍数是越大越好，这样的话，探测声纳系统就可以实现更远的作用距离。但是由于电子元器件的指标和环境噪声等原因，模拟信号预处理是不可能做到无限大的。由于放大倍数过大，回波信号微弱，所以很容易被外界噪声或电磁波所干扰，抗干扰是技术难点之一［2～3］。

2.1 放大系统的实现原理

模拟预处理机设计上要能够对微弱模拟信号进行处理，其输入的信号最小电平为1.5μV，因此系统要求有很大的放大倍数，其总放大量要达到106倍［4］。显然，这样大的放大倍数是不可能只用一级放大能够实现的，在系统的设计上是采取三级放大来实现，滤波电路部分也完成一定的放大量。放大系统的设计如图1所示：

图1 模拟预处理机放大系统设计框图

电路第一级放大的位置是在整个模拟机最前端，这是因为对于微弱信号，不可能直接对它进行其它的分析处理。就采样来讲，一般的电压要求为1V～5V，滤波也一般要求至少几十毫伏的电压，否则在信噪比非常低的情况下系统无法工作。第三级放大输出信号要送后级数字机采样，而采样信号电压要求很高，因此第三级放大位置是在射极跟随之前滤波之后。第二级放大的位置是在滤波处理之前，增益控制之后，因为模拟信号进行滤波处理的电压要求不如采样电压要求的高，但是太微弱的信号不能直接进行滤波处理，所以在把信号进行第二次放大输出后，刚好满足滤波电路所要求的信号大小要求。

2.2 放大系统实现方案

输入信号是通过一个电容在运放的正相输入，在输入信号和地之间接了一个电阻R1，其大小为2kΩ，其目的是降低第一级的输入阻抗。因为对于接收微弱信号的放大器，很容易受到电场耦合的干扰，而有效地抑制耦合干扰的一个方法是降低接收电路的的输入阻抗。本系统接收信号的最小值约为1.5μV，所以必须在和前级阻抗相匹配的基础上，尽量地降低输入阻抗的大小［5］。

图2 放大单元电路图

放大器OP37的放大倍数由电阻R2，R3和电位计Rw决定，R2的值为2kΩ，R3，Rw分别为300kΩ 和10kΩ，这样可以得到第一级的放大倍数为

3 滤波器系统设计

3.1 滤波器系统的器件选择及技术参数

滤波系统选定的器件是AMI公司生产的可编程开关电容滤波器53528（低通）和53529（高通）。这两种器件的主要特点是［6］：

1）高通（S3529）或低通（S3528）的截止频率由6 位外部控制码来控制；

2）最大高通或低通的截止频率可以由外部时钟频率来决定；

3）该滤波器为集成的7阶椭圆滤波器；

4）通频带纹波≤0.1dB；

5）带外衰减≥51dB（f＝1.3fc）；

器件的主要技术参数如下［7］：

1）供电电压为±5V～±7.5V；

2）输入电阻（管脚1-4，8，12，13，16-18）≥8MΩ；

3）输入电容（管脚1-4，8，12，13，16-18）≤15pF；

4）功率：供电电压10V 的情况下，功率典型值为60mW，最大值为110mW；

5）滤波器的外部晶振典型运用频率为3.58MHz，当使用这个时钟频率下滤波器的最大截止频率为20KHz。

3.2 滤波器系统的工程实现方法

滤波电路是整个模拟预处理机的核心部分，在这一级将提高输入信号的信噪比。滤波的好坏将直接影响模拟机乃至整个大系统的工作。滤波器设计要求是：设计一个200Hz～30kHz频率段范围内起始和截止频率可编程、过渡带衰减快、带内滤波平坦的通用型滤波器。

图3 滤波器系统的电路图

1）从图中可知，这是一个典型的带通滤波器，输入信号首先通过S3529进行七阶高通滤波，然后再通过一个七阶低通滤波器S3528滤波。带通滤波器的低频截止频率为高通滤波器的截止频率，高频截止频率为低通滤波器的截止频率［8］。

2）滤波器输入信号约为30mV，因此对电源没有太大要求，可以直接由±5V 电源系统供电。但是要注意S3529和S3528虽然是±5V 电源供电，但是接地却是模拟信号接地。

3）控制53529截止频率的是由晶振G1和A0～A5决定。G1的作用是决定高通滤波器的最高截止频率，并相应改变其中每个码值的频率控制点，具体实现上选取的晶振频率为3.58MHz，A0～A5是具体改变滤波器截止频率的控制码，在晶振大小选定之后，只有通过改变A0～A5的大小来改变高通滤波器的截止频率［9］。

4）53528和53529 的选通控制CE 始终是接到低电平上的，因此当截止频率控制信号A0～A5和B0～B5发生改变时，滤波器的输出截止频率立即就跟着改变。

5）由于S3528和S3529内部集成了运放，当改变外接电阻的阻值时，滤波器能具有一定的放大功能，S3529输入端反馈电阻是输入电阻的两倍，所以S3529有两倍的放大量。

4 电源系统设计

4.1 系统实现原理

在各类电子系统中，电源的稳定性及其性能对系统有着重大的影响。如果供电电源本身就有很大的交流干扰或者有很大的纹波系数，将给系统引入许多噪声干扰。特别是小信号的模拟系统中，电源系统的好坏是决定系统性能的一个决定性因素。

图4 电源系统设计框图

对于一般的系统设计，应该尽量避免多套系统的供电，对于本系统，不可避免的存在数字电路和模拟电路，所以必然有两套电源［10］。如图4所示，系统的供电电源是通用的直流稳压电源，调节稳压电源的输出到±15V 的电压，输出的±15V 电压首先经过第一次稳压，将其输出±15V 电压稳到±9V，输出的±9V 电压是给模拟系统提供的电源（主要是给运放供电），在这里的地线相应地为模拟地（AGND）；±9V 的电压不能给数字系统供电，因此还要对它再一次的稳压，即第二次稳压，其输出的电压大小为±5V，用来给数字器件供电，在此处的地相应为数字地（DGND）。

4.2 电源系统的工程实现

电源部分的电路原理图如图5所示。

图5 电源部分的稳压电路图

电路说明：

1）±15V 输入是直流稳压电源的输出，此处的地线是电源的地线。

2）经过7809和7909之后，电压由原来的±15V 稳到了±9V，±9V 的输出是给模拟电路供电（在电路的其他部分还要进行多次的电源滤波）［13］。

3）经过7805和7905之后，电压又由原来的±9V 稳到了±5V，这个电压的输出直接为数字电路供电。

4）在布线上，模拟地和数字地经过二次稳压之后在一点接地面。

5 结语

模拟预处理机处理的对象是动态范围很大、频带很宽的模拟信号，其主要任务是对模拟信号进行放大、动态压缩、滤波等处理。本文中运用了大量的抗干扰技术和手段来消除干扰和抑制噪声，并总结了一系列在模拟信号处理过程中用于排除干扰和抑制噪声的关键技术，同时实现对宽带微弱信号的高增益放大（＞106）。对于微弱信号而言，在高放大量的情况下，保持系统稳定可靠，其实现的难度较高，因此在设计和工艺上解决了许多关键问题。本文还提供了一种在200Hz～30kHz频带内实时可编程带通滤波器的设计方法，滤波器可以在数字信号的控制下方便地改变其起始和截止频率。

从参数测试来看，系统的大部分测量参数都达到了预期设计的要求，其主要特点是增益高，动态范围大，滤波可编程，自噪声低，通道一致性能较好，系统性能比较稳定等。但是在某些地方还需要提高和改进，例如在低频段（500Hz以下）工作时系统效果并不是很理想，在滤波器通频带很宽的时，通带内幅度一致性并效果不佳，系统设计体积较大等等。

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