声纳前放模块自动检测系统设计

李耀波，曹黎明，郝学超，孙琎烨

(解放军92956部队，辽宁 大连 116041)

声纳前置放大模块负责对换能器接收信号的前端调理，由于接收信号微弱(微伏级)，对前放模块的噪声、放大量、相位不一致性等指标要求极为苛刻，前放模块性能好坏直接影响了声纳的性能。然而，受工作环境及工作机理的限制，前放模块可靠性普遍不高。随着现代信息技术的广泛应用，声纳装备信息处理能力越来越强，因而需要的前放通道数目越来越多。采用传统的测量手段对前放模块进行检测需要利用常规电子仪器，操作复杂，效率低下，难以应对大规模前放模块的检测。本文设计了一种利用现代电子测量技术设计的前放模块指标自动测量系统，能够全面、快速、准确地检测前放模块的技术指标，提高了维修效率，丰富了装备维修测试手段。

1 系统要求及设计

根据前置放大模块的输入输出信号分析，系统需要测试的主要指标如下:1)前放模块的增益，根据输入信号幅度不同，其增益范围为10dB～60dB;2)各前放模块间的相位不一致性。在工作频率范围内，其相位不一致性指标范围在1.5°～6°;3)放大器的最大输出电压(峰－峰值范围2V～5V)时波形无明显失真;4)工作频率≤10kHz。

根据设计要求，系统以MCU为主控模块，包含信号产生模块、信号调理模块、幅度增益测量模块、相位测量模块、存储模块和人机接口模块等，整个系统原理框图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 单片机主控模块设计

兼顾系统要求和经济成本，选用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片。该芯片指令代码与传统8051兼容，片内集成1280字节RAM，60K程序存储空间，具备单时钟/机器周期工作模式，具有4个16位定时器，7路IO中断口，2个UART，8路高速10位A/D模块，同时集成看门狗、专用复位电路及外部掉电检测电路等功能［1］。该芯片的10位A/D模块对于5V的信号幅度电压，最低分辨率约为5mV，可以满足幅度及增益的测量要求;16位定时器可以满足系统计时功能的要求。选用STC12C5A60S2作为主控模块，开发过程中能够容易进行程序修改，具有价格便宜、开发周期短的优点，且可以满足运算量、精度及实时性要求。

图1 自动检测系统原理框图

2.2 信号产生模块设计

信号产生的方法主要有反馈型LC振荡器、集成振荡器、直接频率合成［2］、锁相频率合成［3］、直接数字频率合成(DDS)等。为了使得产生波形的稳定、电路简单且程控调节方便，系统采用DDS集成芯片AD9850，利用MCU通过程序控制产生所需频率的正弦信号。AD9850是AD公司生产的DDS芯片，可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出。其接口控制简单，可以用8位并行口或串行口直接输入频率、相位等控制数据。32位频率控制字，在125MHz时钟下，输出频率分辨率为0.029Hz，频率范围为0.1Hz～40MHz，幅值范围为0.2V～1V。系统采用MCU串行口控制的方式，产生频率范围为0.1Hz～40kHz的正弦信号，输出幅值1V，频率步进10Hz。

2.3 信号调理模块设计

由于测量网络对输入信号要求不同，信号源产生的正弦信号需要经过调理才能送入测量网络。信号调理模块共有4个，信号调理2、信号调理3作用是将信号进行一定的放大，以适应峰值及相位测量电路对输入信号的要求，由高速、低温漂运算放大器OP07构成放大电路，实现对信号的低噪放大。

前放模块主要用来对换能器前端接收的微弱信号进行放大，输入信号要求在微伏至毫伏级。模块内部设有限幅电路对过大的信号进行限幅，防止信号过大导致后续电路饱和。微弱信号经过前放模块后，根据信号的幅度需要进行适当的放大或衰减以适应峰值及相位测量电路对输入信号的要求。信号调理1、信号调理4用来对待检测的前放模块输入输出信号进行调理。

2.3.1 信号调理模块1设计

信号调理1为程控衰减电路，采用DAC0832数模转换器构成，其设计电路原理如图2所示。D/A转换器利用R－2R梯形解码网络实现数字量到模拟量的变换，在实际的应用中将需要衰减的量加到参考电压端(VREF)，电流输出端(IOUT1和IOUT2)接入运放实现电流-电压的转换，反馈电阻(Rfb)直接与运放的输出相连，由此即可得到输出电压VOUT与输入的参考压VREF的关系［4］:

式中，D是由单片机送出的数字量，通过软件改变D的值就可实现程控衰减。当8位数字量全为1时，输出电压最大，近似等于参考电压;当8位数字量全为0时，输出电压为0。由该方法构成的程控衰减器电路结构简单，稳定性好，性价比高。

图2 信号调理1设计电路

根据计算，衰减量在0～32dB内每步进1dB都可以得到相应的8位数字量，但在33dB～60dB范围内每步进1dB便不能得到相应的数字量。为了解决这一问题，设计中利用DAC0832进行0～19dB的细调衰减，步进值为1dB。在信号源部分的最终输出端加入固定的20dB和40dB粗调电阻衰减。最终实现系统要求的输出程控衰减范围为0～60dB，步进值为1dB。为了降低DAC0832的频率特性对不同频率信号衰减量不一致的影响，设计中将1V的直流电压输入到DAC0832的参考电压端，对直流电压做程控衰减。衰减之后的输出量再与DDS输出的正弦信号相乘，以此来实现对扫频信号源输出信号的程控衰减。

2.3.2 信号调理模块4设计

信号调理4为电路数字控制自动增益电路，对被测前放模块输出进行放大或衰减，以匹配后续测量电路，其设计电路如图3所示。

图3 信号调理4设计电路

电路中采用ADI公司生产的AD603作为数控增益放大器设计实现信号调理。MCU控制DAC0832产生增益控制电压控制AD603增益，AD603输出经峰值检测电路后送到A/D模块，进行模数转换后送入MCU，从而实现信号的数控自动增益控制。MCU根据测量的信号大小和增益比，经过信号处理就可以不失真地获得输入信号的幅度、相位信息。

2.4 峰值及增益测量模块设计

峰值检测电路用来进行被测网络增益测量和最大不失真输出测量，此外还作为数控自动增益控制模块的反馈信号。最简单的峰值检测器依据半波整流原理构成电路［5］，利用二极管对电容C充放电实现峰值测量。其缺点是当交流电压较小时，测量电路的直流电压往往偏离其峰值较多。仅当泄放电流可不计时，输出电压才可认为是输入电压的峰值。

为了提高峰值检测器的精度和性能，对其电路进行了改进，最终峰值检测电路如图4所示。设计中为了避免次级输入电阻的影响，检测电路的输出端加一级跟随器(A1)作为隔离级，从而有效地隔离次级的影响，且跟随器的输出电压(Vo)可视为与电容上的电压相等;在检测电路前加一级比较放大器(A2)。比较放大器是开环的差动放大器，具有很高的增益，只要Vi略大于Vo，就可以输出很大的电压驱动D1对电容充电;在Vi－Vo＜0时，比较放大器的输出电压接近于负电源电压，使D1上有较大的反向电压，D1就会有一定的反向泄漏电流。为抑制D1的反向电流，应使D1的正极在反向时的电压只略低于Vo。为此，在比较放大器(A2)与D1之间增设二极管D2和电阻R2。

图4 峰值检测电路

为了改善电路的速度，用非线性元(器)件D3，将比较放大器组成非线性反馈的放大器。若D3的正向等效电阻为RD3，在RD3≪ R3时，只要R3充分大，保持Vo值变化较小，对于输入信号来说，该电路相当于有偏置的跟随器。若RD3可不计则输出电压为

V02的最低值为

式中，Vp是输入电压Vi的峰值。在设计电路时，若使Vi的最大峰值小于A2的负向摆幅之半，则A2就可以保持在线性区工作。

2.5 相位测量模块设计

2.5.1 实现过程

相位测量模块利用测时法进行相位差测量，其基本原理如图5所示。

电路中，LM339电压过零比较器如果采用施密特触发器可以得到更稳定的方波信号。但这样会影响相位的测量，因此系统采用直接比较法，在软件中消除零点及噪声的干扰。74LS14为施密特触发反相器起到波形整形作用，使得方波边沿上升时间符合TTL电平要求并消除数字波形中的毛刺。基准、前放输出两路同频信号送入LM339构成的电压比较器得到如图6中U2A、U2B所示矩形脉冲，经过整形后送入D触发器得到如图6中的U5A、U5B两路波形，最后将U5A、U5B送入U6得到时间差脉冲τ，利用τ即可最终解算相位差 Δφ。

2.5.2 相位差及极性解算

假设经过比较整形后方波信号周期为T(图6)，则经过鉴相器U6A后的信号测量脉冲周期为T。测量脉冲周期T和脉冲宽度为τ，相位差计算公式为

图5 相位检测电路

为了进一步判断两路信号相位差极性，将波形整形电路的两路输出方波送入D触发器中进行相位极性判别。当U5A超前U5B时，D触发器U7A输出高电平，反之输出低电平，从而实现相位差的极性判断。

图6 相位检测电路各点输出波形

2.5.3 误差分析

1)鉴相处理电路误差分析

鉴相处理电路精度取决于从信号输入端到单片机捕获端通过的跟随器、电压比较器所产生的相位差和时间滞后。由于使用了直流耦合，使得跟随器产生的相移误差几乎为零，而两通道的电压比较器的时间滞后相同。此外，设计电路中使用单片集成的运放和比较器，一致性好，不会对测量结果产生影响。由于输入信号和运放、比较器固有特性都可能产生零点偏移，使比较器的输出不平衡。如果单边沿检测，显然影响精度。因此，系统软件设计中使用上下边沿均测量脉冲宽度。

受电子元器件性能的影响，鉴相后的方波受到干扰时，测量其脉宽存在转换误差。假设信号的干扰或噪声幅度为Vn，信号幅度为Vm，被测信号周期为T。在正弦信号的每一个上升沿均可能产生出发误差ΔTi，则有

则一个周期的随机误差为

将式(5)代入式(6)，可以得到

由于干扰和噪声均为随机过程，通过多周期平均法可以有效降低其测量误差。在相位差测量程序模块中，我们采用中位值平均滤波算法，来消除随机脉冲的干扰，同时降低转换误差带来的测量随机误差。

2)计时模块误差分析

计时模块用来测量矩形脉冲的脉宽和周期，使用的单片机系统时钟源自于晶振，误差可以忽略，主要误差为脉宽、周期测量误差。

STC12C5A60S2系统时钟采用12M晶振时，在单时钟工作模式下的计时频率为12M，计时周期为0.083μs，根据系统Δφ测量精度达到1°的要求，1个周期内(360°)12M的计时时钟要求360个计数脉冲，故

根据式(8)得到fmax=33.3kHz，对于频率为20kHz的信号，信号周期为50μs，当Δφ测量精度要求达到1°时，矩形脉宽为50/360≈0.14μs，大于 STC12C5A60S2系统时钟计时周期(约0.08μs)，由于声纳前放模块工作频率通常小于10kHz，测量精度1°对应的脉冲宽度应在0.3us以上，因此采用STC12C5A60S2作为主控模块完全能够满足系统测相精度的设计要求。

脉宽及周期测量是在一定时间内对MCU时钟计数，从而引入±1误差。若最大计数误差为ΔN，总的计数值为N，则有式(9)成立:

式中，Tx为闸门时间，fx为被测信号频率。当相位差较小时，±1误差对测量精度影响较大。低于频率为fx的信号，Tx增大，可以减少 ±1误差对测量精度的影响。

为了减少±1误差对测量精度的影响，计时模块尽量增大闸门时间。测量周期时，选取Tx=1s;测量脉宽采用测量大脉宽的方法，当占空比大于50%时测量高电平宽度;当占空比小于50%测量低电平后与周期相减获得高电平脉宽。

3 系统软件设计

系统的软件部分采用模块化结构设计，各个子功能子模块独立。采用C语言编写程序，具有调试灵活、可移植性好、变成效率高等优点。整个软件部分主要包括系统初始化、数控自动增益调整、信号调理1设置模块、数据传输模块、信号源设置模块、幅度增益测量模块、相位测量模块、人机接口模块以及存储模块等。系统软件主程序流程如图7所示。

图7 主程序流程图

4 结束语

声纳前放模块输入信号要求在微伏至毫伏级，输出信号由模块自身放大指标决定。这种输入信号幅度小、输出信号幅度不定的特点导致其日常的指标检测操作复杂、效率不高。本文利用现代电子技术，结合前放模块的检测指标，设计了自动检测系统。系统能够快速、高效地检测前放模块指标，具有体积较小、便于携带、性价比高等优点。通过维修保障中实际使用表明，系统可靠性、测量精度均满足前放模块指标检测要求。

［1］丁向荣.单片机微机原理与接口技术［M］.北京:电子工业出版社，2012.

［2］李文杰.频率特性测试仪系统设计［D］.南京:南京航空航天大学，2005.

［3］葛健.基于AD9850宽带线性扫频源研究［D］.南京:南京理工大学，2005.

［4］王丽.数字频率特性测试仪的设计与实现［D］.保定:河北大学，2007.

［5］杨欣，胡文锦，张延强.实例解读模拟电子技术完全学习与应用［M］.北京:电子工业出版社，2013.

［6］张金.模拟信号调理技术［M］.北京:电子工业出版社，2012.