聲納前放模塊自動檢測系統(tǒng)設計

李耀波，曹黎明，郝學超，孫琎燁

(解放軍92956部隊，遼寧 大連 116041)

聲納前置放大模塊負責對換能器接收信號的前端調(diào)理，由于接收信號微弱(微伏級)，對前放模塊的噪聲、放大量、相位不一致性等指標要求極為苛刻，前放模塊性能好壞直接影響了聲納的性能。然而，受工作環(huán)境及工作機理的限制，前放模塊可靠性普遍不高。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的廣泛應用，聲納裝備信息處理能力越來越強，因而需要的前放通道數(shù)目越來越多。采用傳統(tǒng)的測量手段對前放模塊進行檢測需要利用常規(guī)電子儀器，操作復雜，效率低下，難以應對大規(guī)模前放模塊的檢測。本文設計了一種利用現(xiàn)代電子測量技術(shù)設計的前放模塊指標自動測量系統(tǒng)，能夠全面、快速、準確地檢測前放模塊的技術(shù)指標，提高了維修效率，豐富了裝備維修測試手段。

1 系統(tǒng)要求及設計

根據(jù)前置放大模塊的輸入輸出信號分析，系統(tǒng)需要測試的主要指標如下:1)前放模塊的增益，根據(jù)輸入信號幅度不同，其增益范圍為10dB～60dB;2)各前放模塊間的相位不一致性。在工作頻率范圍內(nèi)，其相位不一致性指標范圍在1.5°～6°;3)放大器的最大輸出電壓(峰－峰值范圍2V～5V)時波形無明顯失真;4)工作頻率≤10kHz。

根據(jù)設計要求，系統(tǒng)以MCU為主控模塊，包含信號產(chǎn)生模塊、信號調(diào)理模塊、幅度增益測量模塊、相位測量模塊、存儲模塊和人機接口模塊等，整個系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 單片機主控模塊設計

兼顧系統(tǒng)要求和經(jīng)濟成本，選用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片。該芯片指令代碼與傳統(tǒng)8051兼容，片內(nèi)集成1280字節(jié)RAM，60K程序存儲空間，具備單時鐘/機器周期工作模式，具有4個16位定時器，7路IO中斷口，2個UART，8路高速10位A/D模塊，同時集成看門狗、專用復位電路及外部掉電檢測電路等功能［1］。該芯片的10位A/D模塊對于5V的信號幅度電壓，最低分辨率約為5mV，可以滿足幅度及增益的測量要求;16位定時器可以滿足系統(tǒng)計時功能的要求。選用STC12C5A60S2作為主控模塊，開發(fā)過程中能夠容易進行程序修改，具有價格便宜、開發(fā)周期短的優(yōu)點，且可以滿足運算量、精度及實時性要求。

圖1 自動檢測系統(tǒng)原理框圖

2.2 信號產(chǎn)生模塊設計

信號產(chǎn)生的方法主要有反饋型LC振蕩器、集成振蕩器、直接頻率合成［2］、鎖相頻率合成［3］、直接數(shù)字頻率合成(DDS)等。為了使得產(chǎn)生波形的穩(wěn)定、電路簡單且程控調(diào)節(jié)方便，系統(tǒng)采用DDS集成芯片AD9850，利用MCU通過程序控制產(chǎn)生所需頻率的正弦信號。AD9850是AD公司生產(chǎn)的DDS芯片，可產(chǎn)生一個頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出。其接口控制簡單，可以用8位并行口或串行口直接輸入頻率、相位等控制數(shù)據(jù)。32位頻率控制字，在125MHz時鐘下，輸出頻率分辨率為0.029Hz，頻率范圍為0.1Hz～40MHz，幅值范圍為0.2V～1V。系統(tǒng)采用MCU串行口控制的方式，產(chǎn)生頻率范圍為0.1Hz～40kHz的正弦信號，輸出幅值1V，頻率步進10Hz。

2.3 信號調(diào)理模塊設計

由于測量網(wǎng)絡對輸入信號要求不同，信號源產(chǎn)生的正弦信號需要經(jīng)過調(diào)理才能送入測量網(wǎng)絡。信號調(diào)理模塊共有4個，信號調(diào)理2、信號調(diào)理3作用是將信號進行一定的放大，以適應峰值及相位測量電路對輸入信號的要求，由高速、低溫漂運算放大器OP07構(gòu)成放大電路，實現(xiàn)對信號的低噪放大。

前放模塊主要用來對換能器前端接收的微弱信號進行放大，輸入信號要求在微伏至毫伏級。模塊內(nèi)部設有限幅電路對過大的信號進行限幅，防止信號過大導致后續(xù)電路飽和。微弱信號經(jīng)過前放模塊后，根據(jù)信號的幅度需要進行適當?shù)姆糯蠡蛩p以適應峰值及相位測量電路對輸入信號的要求。信號調(diào)理1、信號調(diào)理4用來對待檢測的前放模塊輸入輸出信號進行調(diào)理。

2.3.1 信號調(diào)理模塊1設計

信號調(diào)理1為程控衰減電路，采用DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，其設計電路原理如圖2所示。D/A轉(zhuǎn)換器利用R－2R梯形解碼網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的變換，在實際的應用中將需要衰減的量加到參考電壓端(VREF)，電流輸出端(IOUT1和IOUT2)接入運放實現(xiàn)電流-電壓的轉(zhuǎn)換，反饋電阻(Rfb)直接與運放的輸出相連，由此即可得到輸出電壓VOUT與輸入的參考壓VREF的關(guān)系［4］:

式中，D是由單片機送出的數(shù)字量，通過軟件改變D的值就可實現(xiàn)程控衰減。當8位數(shù)字量全為1時，輸出電壓最大，近似等于參考電壓;當8位數(shù)字量全為0時，輸出電壓為0。由該方法構(gòu)成的程控衰減器電路結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，性價比高。

圖2 信號調(diào)理1設計電路

根據(jù)計算，衰減量在0～32dB內(nèi)每步進1dB都可以得到相應的8位數(shù)字量，但在33dB～60dB范圍內(nèi)每步進1dB便不能得到相應的數(shù)字量。為了解決這一問題，設計中利用DAC0832進行0～19dB的細調(diào)衰減，步進值為1dB。在信號源部分的最終輸出端加入固定的20dB和40dB粗調(diào)電阻衰減。最終實現(xiàn)系統(tǒng)要求的輸出程控衰減范圍為0～60dB，步進值為1dB。為了降低DAC0832的頻率特性對不同頻率信號衰減量不一致的影響，設計中將1V的直流電壓輸入到DAC0832的參考電壓端，對直流電壓做程控衰減。衰減之后的輸出量再與DDS輸出的正弦信號相乘，以此來實現(xiàn)對掃頻信號源輸出信號的程控衰減。

2.3.2 信號調(diào)理模塊4設計

信號調(diào)理4為電路數(shù)字控制自動增益電路，對被測前放模塊輸出進行放大或衰減，以匹配后續(xù)測量電路，其設計電路如圖3所示。

圖3 信號調(diào)理4設計電路

電路中采用ADI公司生產(chǎn)的AD603作為數(shù)控增益放大器設計實現(xiàn)信號調(diào)理。MCU控制DAC0832產(chǎn)生增益控制電壓控制AD603增益，AD603輸出經(jīng)峰值檢測電路后送到A/D模塊，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入MCU，從而實現(xiàn)信號的數(shù)控自動增益控制。MCU根據(jù)測量的信號大小和增益比，經(jīng)過信號處理就可以不失真地獲得輸入信號的幅度、相位信息。

2.4 峰值及增益測量模塊設計

峰值檢測電路用來進行被測網(wǎng)絡增益測量和最大不失真輸出測量，此外還作為數(shù)控自動增益控制模塊的反饋信號。最簡單的峰值檢測器依據(jù)半波整流原理構(gòu)成電路［5］，利用二極管對電容C充放電實現(xiàn)峰值測量。其缺點是當交流電壓較小時，測量電路的直流電壓往往偏離其峰值較多。僅當泄放電流可不計時，輸出電壓才可認為是輸入電壓的峰值。

為了提高峰值檢測器的精度和性能，對其電路進行了改進，最終峰值檢測電路如圖4所示。設計中為了避免次級輸入電阻的影響，檢測電路的輸出端加一級跟隨器(A1)作為隔離級，從而有效地隔離次級的影響，且跟隨器的輸出電壓(Vo)可視為與電容上的電壓相等;在檢測電路前加一級比較放大器(A2)。比較放大器是開環(huán)的差動放大器，具有很高的增益，只要Vi略大于Vo，就可以輸出很大的電壓驅(qū)動D1對電容充電;在Vi－Vo＜0時，比較放大器的輸出電壓接近于負電源電壓，使D1上有較大的反向電壓，D1就會有一定的反向泄漏電流。為抑制D1的反向電流，應使D1的正極在反向時的電壓只略低于Vo。為此，在比較放大器(A2)與D1之間增設二極管D2和電阻R2。

圖4 峰值檢測電路

為了改善電路的速度，用非線性元(器)件D3，將比較放大器組成非線性反饋的放大器。若D3的正向等效電阻為RD3，在RD3? R3時，只要R3充分大，保持Vo值變化較小，對于輸入信號來說，該電路相當于有偏置的跟隨器。若RD3可不計則輸出電壓為

V02的最低值為

式中，Vp是輸入電壓Vi的峰值。在設計電路時，若使Vi的最大峰值小于A2的負向擺幅之半，則A2就可以保持在線性區(qū)工作。

2.5 相位測量模塊設計

2.5.1 實現(xiàn)過程

相位測量模塊利用測時法進行相位差測量，其基本原理如圖5所示。

電路中，LM339電壓過零比較器如果采用施密特觸發(fā)器可以得到更穩(wěn)定的方波信號。但這樣會影響相位的測量，因此系統(tǒng)采用直接比較法，在軟件中消除零點及噪聲的干擾。74LS14為施密特觸發(fā)反相器起到波形整形作用，使得方波邊沿上升時間符合TTL電平要求并消除數(shù)字波形中的毛刺?；鶞省⑶胺泡敵鰞陕吠l信號送入LM339構(gòu)成的電壓比較器得到如圖6中U2A、U2B所示矩形脈沖，經(jīng)過整形后送入D觸發(fā)器得到如圖6中的U5A、U5B兩路波形，最后將U5A、U5B送入U6得到時間差脈沖τ，利用τ即可最終解算相位差 Δφ。

2.5.2 相位差及極性解算

假設經(jīng)過比較整形后方波信號周期為T(圖6)，則經(jīng)過鑒相器U6A后的信號測量脈沖周期為T。測量脈沖周期T和脈沖寬度為τ，相位差計算公式為

圖5 相位檢測電路

為了進一步判斷兩路信號相位差極性，將波形整形電路的兩路輸出方波送入D觸發(fā)器中進行相位極性判別。當U5A超前U5B時，D觸發(fā)器U7A輸出高電平，反之輸出低電平，從而實現(xiàn)相位差的極性判斷。

圖6 相位檢測電路各點輸出波形

2.5.3 誤差分析

1)鑒相處理電路誤差分析

鑒相處理電路精度取決于從信號輸入端到單片機捕獲端通過的跟隨器、電壓比較器所產(chǎn)生的相位差和時間滯后。由于使用了直流耦合，使得跟隨器產(chǎn)生的相移誤差幾乎為零，而兩通道的電壓比較器的時間滯后相同。此外，設計電路中使用單片集成的運放和比較器，一致性好，不會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。由于輸入信號和運放、比較器固有特性都可能產(chǎn)生零點偏移，使比較器的輸出不平衡。如果單邊沿檢測，顯然影響精度。因此，系統(tǒng)軟件設計中使用上下邊沿均測量脈沖寬度。

受電子元器件性能的影響，鑒相后的方波受到干擾時，測量其脈寬存在轉(zhuǎn)換誤差。假設信號的干擾或噪聲幅度為Vn，信號幅度為Vm，被測信號周期為T。在正弦信號的每一個上升沿均可能產(chǎn)生出發(fā)誤差ΔTi，則有

則一個周期的隨機誤差為

將式(5)代入式(6)，可以得到

由于干擾和噪聲均為隨機過程，通過多周期平均法可以有效降低其測量誤差。在相位差測量程序模塊中，我們采用中位值平均濾波算法，來消除隨機脈沖的干擾，同時降低轉(zhuǎn)換誤差帶來的測量隨機誤差。

2)計時模塊誤差分析

計時模塊用來測量矩形脈沖的脈寬和周期，使用的單片機系統(tǒng)時鐘源自于晶振，誤差可以忽略，主要誤差為脈寬、周期測量誤差。

STC12C5A60S2系統(tǒng)時鐘采用12M晶振時，在單時鐘工作模式下的計時頻率為12M，計時周期為0.083μs，根據(jù)系統(tǒng)Δφ測量精度達到1°的要求，1個周期內(nèi)(360°)12M的計時時鐘要求360個計數(shù)脈沖，故

根據(jù)式(8)得到fmax=33.3kHz，對于頻率為20kHz的信號，信號周期為50μs，當Δφ測量精度要求達到1°時，矩形脈寬為50/360≈0.14μs，大于 STC12C5A60S2系統(tǒng)時鐘計時周期(約0.08μs)，由于聲納前放模塊工作頻率通常小于10kHz，測量精度1°對應的脈沖寬度應在0.3us以上，因此采用STC12C5A60S2作為主控模塊完全能夠滿足系統(tǒng)測相精度的設計要求。

脈寬及周期測量是在一定時間內(nèi)對MCU時鐘計數(shù)，從而引入±1誤差。若最大計數(shù)誤差為ΔN，總的計數(shù)值為N，則有式(9)成立:

式中，Tx為閘門時間，fx為被測信號頻率。當相位差較小時，±1誤差對測量精度影響較大。低于頻率為fx的信號，Tx增大，可以減少 ±1誤差對測量精度的影響。

為了減少±1誤差對測量精度的影響，計時模塊盡量增大閘門時間。測量周期時，選取Tx=1s;測量脈寬采用測量大脈寬的方法，當占空比大于50%時測量高電平寬度;當占空比小于50%測量低電平后與周期相減獲得高電平脈寬。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件部分采用模塊化結(jié)構(gòu)設計，各個子功能子模塊獨立。采用C語言編寫程序，具有調(diào)試靈活、可移植性好、變成效率高等優(yōu)點。整個軟件部分主要包括系統(tǒng)初始化、數(shù)控自動增益調(diào)整、信號調(diào)理1設置模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、信號源設置模塊、幅度增益測量模塊、相位測量模塊、人機接口模塊以及存儲模塊等。系統(tǒng)軟件主程序流程如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

4 結(jié)束語

聲納前放模塊輸入信號要求在微伏至毫伏級，輸出信號由模塊自身放大指標決定。這種輸入信號幅度小、輸出信號幅度不定的特點導致其日常的指標檢測操作復雜、效率不高。本文利用現(xiàn)代電子技術(shù)，結(jié)合前放模塊的檢測指標，設計了自動檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠快速、高效地檢測前放模塊指標，具有體積較小、便于攜帶、性價比高等優(yōu)點。通過維修保障中實際使用表明，系統(tǒng)可靠性、測量精度均滿足前放模塊指標檢測要求。

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