一种低噪声微弱信号调理电路设计

吕国飞，姜清华

（上海船舶电子设备研究所，上海，201104）

一种低噪声微弱信号调理电路设计

吕国飞，姜清华

（上海船舶电子设备研究所，上海，201104）

水下主动声纳探测系统是通过发射换能器发射主动声信号，水听器检测回波信号完成目标探测和方位估计等任务。由于水听器输出信号微弱，易被复杂的海洋环境噪声干扰不能直接用于后续采集电路，要求信号调理电路具有高增益并且自噪声远低于水听器输出信号。而且主动声呐工作在近距离时，水听器接收到的混响信号远高于目标的回波信号，水听器接收到的信号动态范围大。本文提出的一种低噪声微弱信号调理电路，是一种低噪声、高增益、大动态范围、高一致性的信号调理电路。

低噪声；大动态范围； 一致性；滤波；水声

0　引言

现代声呐技术的发展始于20世纪，最初应用于军事，即对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪，进行水下通信和导航，保障舰艇的水下安全。水下主动探测系统依靠接收回波信号完成对水下目标探测和方位估计等任务。根据主动声呐方程可知，回波能量FL：

1　低噪声设计

信号调理电路的主要作用是放大微弱信号，对于降低噪声干扰，提高整个声呐系统的性能起着至关重要的作用。信号调理电路噪声主要由电源线路噪声和放大器噪声组成。

1.1电源设计

电源是通过ACDC模块将220VAC电压转换成±8VDC，使用低纹波系数的LDO稳压芯片将±8VDC转换成±5VDC给信号调理电路供电。在各器件电源引脚并联10uF钽电容和0.1uF的瓷片对电源线路进行滤波，在各级电源之间各级之间添加电阻用来隔离各级之间电源干扰，以降低信号调理电路噪声。

1.2放大器噪声控制

低噪声运放的噪声指标常以噪声电压En和噪声电流In给出，图1给出了运算放大器噪声的标准模型。

放大器的等效输入噪声可以表示为

图1　

则放大器输出噪声可以表示为

通过以上分析选择，可以通过选择合理的运算放大器来降低电路噪声，并通过合理的布局布线降低线路板对电路噪声的影响。

运算放大器噪声模型

2　滤波器设计

图2.1　一阶带通滤波器

由于水声信号对在高频时衰减很大，导致水声信号带宽很窄。由于同一艘舰船声呐设备很多，通过设计合理的滤波器参数降低后续信号处理难度并且可以避免或降低其他设备对本设备影响。

给定指标通带：10kHz-15kHz，各通道间起伏不超过±0.5dB，过渡带为0.2fc，带外衰减不低于40dB。为满足以上指标，采用10阶带通滤波器实现。其一阶单元如图2.1所示。合理调节各阶带通滤波顺序使得滤波器增益始终不高于0dB，其整体滤波特性如图2.2所示。

10阶带通滤波器滤波特性

图2.2

3　大动态高增益设计

由于在近距离回波中混响占主要成分且强度很大所以需要负增益。因此信号调理电路实现-15dB-85dB连续可调。电路采用多级增益放大方式实现大动态高增益设计。电路结构框图如图3所示。

前放采用低噪声仪表放大器SSM2019B结合ADG608使用，实现0dB-30dB分6档可调。带通滤波器和二级放大采用低噪声运算放大器OPA2376实现。使用VCA810ID实现-35dB - +35dB的压控增益。

由于在水下存在能量很大的低频信号，所以将滤波器前三级移至压控增益前端，防止低频信号在前放放大后导致VCA810ID输入限幅。

4　通道一致性控制

通道一致性考察幅度一致性和相位一致性指标。通过合理选型可以实现较高的通道一致性，包括选择高精度的电阻、电容，选择带宽增益积较高的运算放大器。并且要求各种器件要求同一批次，以求获得同向偏移。采用butterworth滤波器可以获得一个较好的通道一致性。对于个别通道一致有所偏差，可以通过微调个别电阻和电容实现通道一致性。

5　结束语

实验证明，信号调理电路达到了预期的指标，并取得良好效果。通带范围内幅度响应较为平坦。信号调理电路输入噪声也控制在一个较低水平。

10阶Butterwort带通滤波器，实现单通道带内起伏优于±1dB，各通道幅度一致性优于±1dB，相位一致性优于±4°。等效输入噪声优于，实现100dB的大动态设计。本文提出的一种低噪声微弱信号调理电路已在设备中使用，得到良好效果。

［1］ 康真威. 一种前置信号预处理电路模块的设计［J］ 声学与电

图3　电路结构框图

子工程 2010，3

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Design of a low noise weak signal conditioning circut

Lv Guofei，Jiang Qinghua
（ShangHai Marine Electronic Equipment Research Institute，ShangHai，201104，China）

Active sonar detection system launches the active acoustic signal by transmitting，and the hydrophone detects the echo signal to accomplish the task of target detection and orientation estimation. Due to the weak output signal，the signal is easy to be disturbed by the complex ocean environment noise and can’t be directly used for the subsequent circuit acquisition. The signal conditioning circuit has a high gain and the self-noise is less than the output signal of the hydrophone.And the active sonar works at close range， the reverberation signal received by the hydrophone is much higher than that of the target echo signal， and the dynamic range of the signal received by the hydrophone is large.In this paper，a low noise weak signal conditioning circuit， is a low noise，high gain，large dynamic range，high consistency of the signal conditioning circuit.

low noise；large dynamic range；consistency；filter；acoustic

吕国飞 （1987-），男，浙江衢州人，硕士，助理工程师，研究方向：水下信号处理。