水声微弱信号调理电路设计*

陈亚辉

(中国船舶重工集团第七一五研究所 杭州 310012)

水声微弱信号调理电路设计*

陈亚辉

(中国船舶重工集团第七一五研究所 杭州 310012)

论文介绍一种水声微弱信号的调理电路设计,该电路具有电源模块、放大模块和滤波模块。通过仿真和测试表明该电路等效输入噪声低,能有效地对微弱信号进行放大和滤波。

调理电路; 低噪声; 带通滤波器; 微弱信号

(The 715th Research Institute of CSIC, Hangzhou 310012)

Class Number O427

1 引言

进入新世纪以来,无论是在民用领域的海洋开发利用,还是在军事领域的危险目标探测,水下目标的定位和识别越来越重要[1]。水下目标信息的主要是通过声波传输,声波中的信息通过水听器转换成电信号,此时水听器输出的电信号不仅微弱,而且还掺杂各种噪声源产生的噪声,使得目标信号不易提取。本文针对这种微弱信号进行低噪声、无失真放大调理,从大量的噪声中提取水声的电信号。

2 调理电路设计与仿真

水听器输出的信号是毫伏量级甚至是微伏量级,大量的背景噪声和目标自噪声掺杂在信号中,为了将微弱信号从噪声中提取出来信号调理电路必须具有良好的本底噪声和降噪设计,降低噪声需要从噪声源、耦合路径等综合考虑[4]。调理电路主要由三个功能模块组成,其原理框图如图1所示。

图1 信号调理电路原理框图

电源模块是将外部锂电池供电电压进行转换,为放大电路和滤波电路提供低纹波电源。前置放大电路通过低功耗、低噪声运算放大器将水听器输出信号电压放大,提高信号的信噪比。二级放大通过运放使得信号满足采集电压的幅度要求。滤波电路通过低噪声运算放大器搭建有源滤波器,提高水声信号采集质量。

2.1 电源模块

外部锂电池的供电电压为10.8V,需要通过芯片将供电电压转换为5V,5V电压作为放大模块和滤波模块的供电电源。电源转换芯片选取ADP7118,它是ADI公司的低噪声、CMOS LDO线性稳压器,噪声低至11μVrms,100kHz时电源印制比达到68dB。稳压电路原理图如图2所示。

图2 稳压电路原理图

其中C1和C2作为输入旁路电容将外部引入电压的杂波噪声滤除,同时还可以降低电路对PCB布局的敏感性。C3和C4作为输出电容,可以改善芯片对大负载电流变化的瞬态相应,同时可以减少外部电源引入的电网噪声,有效降低电路的本底噪声。D1是保护二极管,防止电路异常,或出现反向脉冲电压,输出端电压高于输出端时,二极管导通,避免反响电压加在芯片上,保护稳压芯片的安全。

2.2 前置放大电路

前置放大电路主要是放大水听器信号,提高信号的信噪比,同时有效抑制引入的共模干扰噪声,并减少自身产生的附加噪声[5～7]。

为了减少放大电路中元器件带来的热噪声,选取的运算放大器功耗比较低,电阻的阻值比较小;为了减少电子元件本身的噪声影响,设计的电路尽量简单。压电型水听器具有比较高的输出阻抗,为了获取信号需要通过高输入阻抗放大器进行前置放大。根据这些要求选取的放大器必须是单电源供电、高精度、低噪声、高输入阻抗和低输出阻抗,本文选择MAX公司的MAX4477芯片,该芯片的主要特性有:输入噪声;输入阻抗达到1000GΩ(差模),可以保证水听器信号不失真进入模拟接收通路;共模抑制比达到115dB,这样可以有效地减少共模干扰的影响;增益带宽积达到10MHz。

本文中采用的放大电路通过运放和电阻组成深度反馈电路实现反相比例电路[3],因为运放是单电源供电,需要在运放的正向输入端加上2.5V直流偏移电压,同时为了消除水听器的直流偏置,在运放输入信号前端加一个隔直电容,前置放大电路原理图如图3所示。

图3 前置放大电路原理图

取R5=2K,R6=100K,C1=0.1μF；输入端平衡电阻满足:R4=R5‖R6≈2K；电压放大倍数为:A1=-R6/R5=-50。

2.3 二级放大电路

为了将毫伏量级的电压转化为伏量级,前置放大的倍数为50,二级放大电路的倍数设计为10。二级放大电路仍然通过运放MAX4477构成反相比例电路。电路原理图如图4所示。

图4 二级放大电路原理图

取R8=10K,R9=100K；输入端平衡电阻满足:R7=R8‖R9≈9.09K；电压放大倍数为:A2=-R9/R8=-10；总的电压放大倍数为:A=A1×A2=500。

2.4 滤波电路

由于水听器制造工艺的原因,使得信号中含有高频噪声,同时海洋环境复杂,信号中含有低频噪声,这些高低频噪声的影响使得提取的信号含有大量的毛刺。为了保证上层有采集到有效的信号,电路中必须设计带通滤波器消除高低频噪声干扰。滤波器的类型有很多,根据系统的要求,信号在通带内尽量平缓,起伏越小越好,所以采用巴特沃斯型滤波器。本文采用由高通滤波器和低通滤波器串联组成带通滤波器。常用的滤波器类型有正反馈型有源滤波器和多重反馈型有源滤波器,与正反馈型相比多重反馈型更有利于实现良好失真特性,输出电阻小,多级相联间相互影响小等特点[2]。本文通过运算放大器、电阻和电容搭建多重反馈型巴特沃斯滤波器,滤波器的运放仍然采用MAX4477芯片,带通滤波器的上下截止频率分别为100Hz和5kHz,Q值为0.707。带通滤波器原理图如图5所示。

对于二阶低通滤波器,取Rf=R10=R11=R12=10K,f=5kHz；Cf=1/2πRff=3.19nF；C7=3QCf=6.77nF≈6.8nF；C6=Cf/3Q=1.5nF。

对于二阶高通滤波器,取Cf=C8=C9=C11=22nf,f=100Hz；Rf=1/2πCff=72.38K；R14=3QRf=153.5K≈154K；R13=Rf/3Q≈34.1K=34K。

通过Multisin10软件对电路进行仿真,仿真波特图如图6所示。通带范围内带内起伏平坦,通带内增益基本为1,上截止频率为4.984kHz,下截止频率为100.2Hz,带外衰减达到-12dB/oct,仿真表明设计的带通滤波器满足要求。

图5 带通滤波器原理图

图6 仿真波特图

3 实验测试及分析

为了验证设计的电路是否能够对微弱信号进行处理,需要对板卡的功能模块进行测试,主要包括放大电路和滤波电路测试。

3.1 放大电路测试

信号发生器产生频率1kHz、峰值10mV的正弦波信号连接到板卡,为了观察前置放大和二级放大是否满足要求,通过示波器观察输入信号和放大输出信号如图7所示。信号经放大后输出频率1kHz,峰值4960mV的正弦波,波形完整平滑,无毛刺,同时输入输出波形相位一致,说明放大电路满足总增益500倍要求。

图7 放大电路测试图

3.2 滤波电路测试

信号发生器的幅值10mV不变,改变信号频率对滤波电路进行测试,在30Hz～20kHz的频带内进行人工扫频测试,用示波器观察各频点时的滤波电路输出电压峰值,测试结果如表1所示。

表1 滤波电路测试结果

由于信号经放大电路后传送到滤波电路中,等效滤波电路输入端接入幅值1V的正弦波,由上表中数据可知:200Hz～3kHz时带内起伏很小;输入信号频率100Hz时,输出信号产生-3.12dB的衰减,输出信号频率5kHz时,输出信号产生-3.22dB的衰减;同时通带外都能按12dB/倍频程衰减,符合二阶带通滤波器的特性。实测数据与仿真结果相似,说明滤波电路满足要求。

4 结语

水听器输出信号微弱,同时含有大量的环境噪声,不能直接进行信号采集。本文针对这个特点,设计出一种低噪声、高增益的信号调理电路。通过实际电路测试,该板卡的等效输入噪声控制在5μV,表明调理电路在噪声、增益、通带等特性符合要求,能将通带外的噪声有效的滤除,并且在降低输出信号的共模噪声的同时提高信号的输出幅值,使得信号符合后面采集电路的要求。通过更改放大电路的增益和滤波电路通带,调理电路可广泛用于普通微弱信号的采集电路设计,表明该电路具有良好的通用性。

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Preconditioning Circuit for Underwater Acoustic Weak Signal

CHEN Yahui

This paper introduces a kind of underwater acoustic weak signal conditioning circuit design. The circuit has a power supply module, amplifier and filter module. The simulation and test show that the circuit equivalent input noise is low, and the circuit can amplify and filter the weak signal effectively.

conditioning circuit, low noise, band pass filter, weak signal

2016年6月10日,

2016年7月27日

陈亚辉,男,助理工程师,研究方向:声纳浮标电路设计。

O427

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.040