水声传感器调理电路设计

林骏桥， 马淑欣， 王旭光

（1.湖北大学 人工智能学院， 湖北 武汉 430062； 2.太原师范学院 计算机科学与技术学院， 山西 晋中 030619）

0 引 言

随着经济的发展和技术的日新月异，人类的陆地资源越来越匮乏，而海洋中蕴含着丰富的能源资源，能够满足人类社会发展的需要，所以海洋探测和水下目标的定位和识别意义重大[1]。水声传感器可将采集的水声信号转化为电信号，但此时的输出信号非常微弱，且由于水下环境复杂，常常会受到海洋环境中各种噪声的干扰，无法准确地提取信号。因此需要对水声传感器的输出信号先进行调理，再送入后级电路进行采集。由于调理电路自身的噪声会直接影响有用信号的测量精度，故调理电路中的前置放大电路部分必须进行低噪声设计[2]。基于此，本文设计了一种低噪声、高性能的信号调理电路。

本文采用亚德诺半导体（ADI）公司的AD8421 芯片进行前置放大。该芯片是一款低成本、低功耗、极低噪声、超低偏置电流的高速仪表放大器，其优异的噪声性能可以极大地降低调理电路的自噪声，从而提高信号的可靠性。滤波电路和单端转差分电路采用亚德诺半导体（ADI）公司的AD8022 芯片，该芯片是一款低功耗、低噪声、低偏置电流的运算放大器。通过电路仿真设计与实际加工测试可知，该调理电路实现了固定增益20 dB，等效输入噪声2 μVrms 以内，截止频率处衰减小于1 dB，同时能将通带外的噪声有效去除，保证目标信号符合后级采集电路的要求，可以广泛应用于微弱信号的采集系统。

1 电路设计与仿真

水声传感器调理电路包括阻抗匹配与差分保护电路、前置放大电路、四阶高通滤波电路、二阶低通滤波电路、转差分电路，整体电路结构如图1 所示。

图1 水声传感器调理电路结构框图

1.1 阻抗匹配与差分保护电路

阻抗匹配的目的是从水声传感器处获得最大的目标信号，要想达到这样的效果，必须要求调理电路的等效输入阻抗远远大于水声传感器的输出阻抗[3]。具体实现阻抗匹配的方法有很多种，本设计考虑到电路结构简单和电路功能的实用性，在模拟信号输入端采用RC 耦合来实现水声传感器与后级电路之间的阻抗匹配，其中的电容可以阻断模拟信号中的直流信号，避免直流分量对目标信号的影响。阻抗匹配电路如图2 所示。

图2 阻抗匹配电路

在水下环境监测到的目标信号非常微弱，通常处于微伏级别，但在微弱信号中可能会有因受外部干扰而存在的瞬时电压脉冲尖峰信号。该信号电压幅度较大，可能会超出后级电路所允许的输入电压范围，对后级芯片和其他元器件造成影响[4]。为了避免瞬时电压脉冲尖峰信号的影响，本文设计如图3 所示的差分保护电路。

图3 差分保护电路

图中D1、D2是型号为1N4148 的开关二极管。其正向导通和反向阻断之间的反应速度比其他二极管快，一般用于信号输入端保护电路。根据芯片手册可知，该型号开关二极管的开关速度最快可以达到4 ns，最大反向工作电压为100 V。与普通的开关二极管相比，该二极管极大地提高了输入信号的幅度范围，可以灵活运用在不同测试场景中。

1.2 前置放大电路

前置放大电路的作用是将水声传感器采集到的模拟信号进行放大，以提高信号的抗干扰能力，减少共模噪声的干扰，便于模拟信号在后级电路中的处理。考虑到放大电路既要对小信号进行放大，又要保证大信号不失真，所以将前置放大电路的固定增益设为20 dB。在模拟电路中，各级电路噪声不会消失且会随着信号传递，对下一级电路造成影响。由于噪声指标是不大于2 μVrms，而最能影响系统整体噪声的是前置放大电路，所以要尽量降低前置放大电路的噪声干扰。本设计采用仪表运算放大器来搭建前置放大电路，仪表运放具有极高的共模抑制比、高输入阻抗，可以很好地对差模信号进行放大。前置放大电路如图4 所示。

图4 仪表运放前置放大电路

本文选用的仪表运放为亚德诺半导体（ADI）公司的AD8421 芯片，该芯片是一款低成本、低功耗、极低噪声、超低偏置电流的高速仪表放大器，特别适合各种信号调理和数据采集应用。这款产品具有极高的共模抑制比，可以在宽温度范围内提取淹没在高频共模噪声中的低电平信号。前端经过保护电路传来的差分信号进入芯片的1 脚和4 脚，信号经过固定增益放大后，以单端的形式从7 脚输出。2 脚与3 脚相连的电阻R3是增益反馈电阻，通过调节R3的阻值，可实现电路不同的放大倍数。芯片的5 脚和8 脚是电源引脚，其中5 脚接负电源，8 脚接正电源。电路采用的是±5 V 双电源供电，正负电源引脚分别并联10 μF 和0.01 μF 电容，可以消除电源中的噪声影响[5-7]。芯片的6 脚是基准电压引脚，本设计中该引脚接地。根据芯片手册可知，反馈电阻与放大倍数的关系如下：

式中：G为电路放大倍数；RG为反馈电阻阻值。由于本设计中前置放大为固定增益20 dB（10 倍），可求得R3=1.1 kΩ。

1.3 滤波电路

由于水下环境极其复杂，水声传感器接收到的有用信号通常会掺杂着受水下环境中高低频噪声干扰的无用信号。为了滤除无用信号只保留有用信号，本文设计带通滤波电路来消除高低频噪声。根据电路设计时所用元器件的不同，可将模拟滤波电路分为无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器通常是由电阻、电容、电感等无源器件构成，而有源滤波器则包含运算放大器等有源器件。对无源滤波器与有源滤波器的主要特点进行比较，如表1 所示。

表1 无源滤波器与有源滤波器的主要特点对比

有源滤波器的阶数越高，滤波效果越接近理想砖墙式滤波器。根据响应类型，可将滤波器分为巴特沃斯型滤波器、切比雪夫型滤波器、贝塞尔型滤波器等三种。由于巴特沃斯型滤波器具有最平坦的通带区间，而且设计简单，所以本文设计了一种由四阶有源SK（Sallen-Key）高通滤波器与二阶有源MFB（多路反馈）低通滤波器级联形成的高阶有源巴特沃斯型带通滤波器[8-9]。

1.3.1 四阶有源SK 高通滤波器设计

本文设计的四阶有源SK 高通滤波器是由两级包含4 个阻容元件的二阶SK 型高通滤波器级联构成，其中二阶SK 高通滤波电路如图5 所示。

图5 二阶SK 高通滤波电路

根据基尔霍夫电流定律，对节点1 和节点2 列节点方程如下：

式中：U1为节点1 的电压；U2为节点2 的电压；Ui为输入端电压；Uo为输出端电压。

将式（2）、式（3）联立可得电路的传递函数为：

通过查阅高阶滤波器系数表可知，两级二阶高通滤波器的Q值分别为0.541 和1.307。取C7=C8= 1.5 μF时，计算电路各级2 个电阻的阻值，在满足电路性能指标的同时，既要保证能够购买到对应阻值的电阻元件，又要适当降低电阻的阻值，从而减小高通滤波电路中的噪声[10-12]。SK 高通滤波器电路元件参数值如表2 所示。

表2 SK 高通滤波器电路元件参数

四阶有源SK 高通滤波器仿真电路如图6 所示，其幅频响应仿真结果如图7 所示。

图6 四阶有源SK 高通滤波器仿真电路

图7 四阶有源SK 高通滤波电路幅频响应仿真结果

1.3.2 二阶有源MFB 低通滤波器设计

本文设计的二阶有源MFB 低通滤波器仿真电路如图8 所示，它与SK 型的结构不同，属于反相输入多路反馈滤波器。该电路是由3 个电阻、2 个电容和1 个运算放大器组成[13]。二阶MFB 低通滤波器的截止频率fc为：

图8 二阶有源MFB 低通滤波器仿真电路

已知截止频率fc、品质因数Q、增益Am，只需确定阻容值参数。为了计算简便，在电路实际设计时，常常会将电路中的3 个电阻选择相同的阻值，同时为了降低电路中的噪声，一般取R8=R9=R10= 10 kΩ。其中电容的值需满足以下关系式：

从而可以计算得到C11= 47 pF，C12= 10 pF。

所设计的二阶有源MFB 低通滤波电路幅频响应仿真结果如图9 所示。

图9 二阶有源MFB 低通滤波电路幅频响应仿真结果

1.4 单端转差分电路

前级差分信号经过前置放大电路、滤波电路处理后，输出变为单端模拟信号。由于单端模拟信号在长距离传输过程中很容易受到干扰，而差分信号传输具有能有效抵抗外部共模干扰、抑制偶次谐波失真等特点，在信号的长距离传输中比单端信号形式更具有优势，因此本文中设计了单端转差分电路，使调理电路的最终信号输出为差分形式。单端转差分电路结构如图10 所示。

图10 单端转差分电路设计

根据运放的“虚短虚断”特性可知：

当R12=R11时，VOUT= -VIN，即输出信号与输入信号幅值相等，相位相差180°。在实际设计中，一般令R11=R12=R13= 10 kΩ，实现单端转差分的目的。单端转差分电路仿真结果如图11 所示。

图11 单端转差分电路仿真结果

2 实验测试与分析

为了检验所设计的水声传感器调理电路的性能，对制板焊接之后的电路板实物进行了功能模块测试，主要包括放大电路测试、滤波电路测试和短路等效输入噪声测试。

2.1 放大电路测试

信号发生器输出10 kHz、100 mVpp 的正弦波信号，接到调理电路板的输入端，通过数字示波器观察输出信号幅值是否满足增益20 dB 的要求。由数字示波器显示的输入信号和放大之后的输出信号如图12 所示。

图12 前置放大电路增益测试结果

由图12 可知：信号经过前置放大后，变成输出频率为10 kHz、幅度为峰峰值1 V 的正弦波，波形完整平滑，增益为20 dB，相位一致性良好，满足放大电路的设计要求。

2.2 滤波电路测试

信号发生器输出幅值为100 mVrms 的信号，在50 Hz～1 000 kHz 频带内对滤波电路进行扫频测试，用六位半数字交流毫伏表测量各频点滤波电路输出的电压有效值，并用数字示波器观察输出信号波形，测试结果如表3 所示。

表3 带通滤波电路幅频响应测试结果

由表3 数据可知：在100 Hz～500 kHz 的滤波器通带内，幅频响应平坦度小于1 dB，输入信号在截止频率100 Hz 时，输出信号的衰减为-0.91 dB，在截止频率500 kHz 时，输出信号的衰减为-0.72 dB，满足滤波电路的设计要求。

2.3 短路等效输入噪声测试

短路等效输入噪声测试是将调理电路板的输入端短接到地，输出端接测试用1 000 倍放大工具板，用六位半数字交流毫伏表测量1 000 倍放大板的差分输出，然后折算成调理板的等效输入噪声，测试结果如表4 所示。

表4 短路等效输入噪声测试结果

3 结 论

水声传感器的输出信号微弱，同时会受到外部噪声干扰，不能直接进行信号采集。本文针对这一特点，设计了一种低噪声、高性能的信号调理电路。通过电路仿真设计与实际加工测试可知，该调理电路实现了固定增益20 dB，等效输入噪声2 μVrms 以内，截止频率处衰减小于1 dB，同时能将通带外的噪声有效去除，保证目标信号符合后级采集电路的要求，可以广泛应用于微弱信号的采集系统。

注：本文通讯作者为王旭光。