基于矢量水聽(tīng)器的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)研究

胡天宇，紀(jì)學(xué)軍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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基于矢量水聽(tīng)器的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)研究

胡天宇，紀(jì)學(xué)軍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要矢量水聽(tīng)器可以有效地獲取水下的聲信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化成可以進(jìn)行處理的電信號(hào)，但是此信號(hào)十分微弱，并且摻雜著水中復(fù)雜的噪聲，為了有效實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理，設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路，分為電源模塊、放大模塊和濾波模塊，可以提高輸出信號(hào)的信噪比。通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行仿真以及測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。

關(guān)鍵詞矢量水聽(tīng)器；信號(hào)調(diào)理；信噪比

Research on Signal Conditioning Circuit Design Based on Vector Hydrophone

HU Tian-yu,JI Xue-jun

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractThe vector hydrophone can be used to obtain acoustic signal efficiently and transform it into electric signal which can be processed.But the signal is very weak and consists of complex subaqueous noise.In order to obtain the useful signal and improve the SNR of output signal,a signal conditioning circuit is designed,including power supply module,amplifier module and filter module.The software simulation and test results show that the design scheme is available.

Key wordsvector hydrophone;signal conditioning;SNR

0引言

在世界陸地資源不斷匱乏的情況下，人類(lèi)對(duì)覆蓋地球表面面積71%的海洋資源的了解和利用仍不夠充分[1]。隨著科技的發(fā)展，人類(lèi)的海洋活動(dòng)越來(lái)越頻繁，水下探測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、定位導(dǎo)航及通信等技術(shù)也得到越來(lái)越多的發(fā)展和應(yīng)用[2]。

由于無(wú)線電信號(hào)在水中傳播時(shí)的衰減很大，因此，聲波成為水下信息傳播的主要載體，矢量水聽(tīng)器可以將接收到的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并且其靈敏度高，輸出的差分信號(hào)具有良好的共模抑制比。但是，由于海洋環(huán)境中存在著大量的噪聲，它們摻雜在有用信號(hào)中，使得傳感器輸出的微弱信號(hào)不易被區(qū)分出來(lái)，本文便針對(duì)這種情況進(jìn)行信號(hào)的調(diào)理工作，進(jìn)行低噪聲電路的設(shè)計(jì)研究，并且將矢量水聽(tīng)器輸出的電信號(hào)從復(fù)雜噪聲中提取出來(lái)。

1矢量水聽(tīng)器工作原理

根據(jù)聲學(xué)原理可知，如果聲場(chǎng)中的接收處距離聲源很遠(yuǎn)時(shí)，可以將聲波視為平面波。本文所研究的是同振型矢量水聽(tīng)器，其接收設(shè)備處于中性浮力狀態(tài)，從而當(dāng)攜帶特定信息的聲信號(hào)傳播到傳感器時(shí)，接收設(shè)備可以將聲信號(hào)幾乎無(wú)損耗地傳感到由惠斯通電橋結(jié)構(gòu)(如圖1所示)組成的敏感梁上，硅梁形變產(chǎn)生應(yīng)力變化，導(dǎo)致布置在芯片梁上的壓敏電阻阻值發(fā)生變化，引起電壓變化，通過(guò)梁上的惠斯通電橋，將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水下聲信號(hào)方位、距離的測(cè)量[3]。

圖1　惠斯通電橋結(jié)構(gòu)

矢量水聽(tīng)器芯片上構(gòu)成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的壓敏電阻分布圖如圖2所示，圖2中R1～R8即為壓敏電阻的布放位置，已經(jīng)封裝后的矢量水聽(tīng)器芯片如圖3所示。

圖2　壓敏電阻分布圖　　圖3　封裝后的矢量水聽(tīng)器芯片

2信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)及仿真

在任何信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)過(guò)程中的噪聲都是不可避免的[4]。矢量水聽(tīng)器接收到的信號(hào)是十分微弱的，并且摻雜著海洋環(huán)境噪聲和水下目標(biāo)的自噪聲，因此對(duì)信號(hào)處理電路的要求就很高，不僅需要具有良好的本底噪聲，還需要能將微弱信號(hào)從噪聲中提取出來(lái)。本文設(shè)計(jì)的調(diào)理電路主要分為3個(gè)模塊：電源模塊、放大模塊和濾波模塊。

2.1電源模塊

由于惠斯通電橋的輸出噪聲與電源模塊的紋波噪聲密切相關(guān)，因此選用REF5050電源穩(wěn)壓芯片進(jìn)行電壓調(diào)理，它可以將輸入電壓調(diào)理成為5 V的輸出電壓，輸出電壓不僅能夠作為惠斯通電橋的激勵(lì)源，而且可以作為調(diào)理電路放大模塊和濾波模塊的供電電源。REF5050是TI公司的一款低噪聲、低漂移及高精度穩(wěn)壓電源芯片。噪聲低至3 μVpp/V，溫度漂移最大不超過(guò)8 ppm/℃，紋波最大不超過(guò)0.1%[5]。其中C1為旁路電容，可以把外界輸出電壓中的高頻雜波噪聲率除掉，加以去耦電容C2的引入，可以有效避免整個(gè)電網(wǎng)抖動(dòng)的反饋耦合，能極大地減小外部電源引入的電網(wǎng)噪聲，有效地降低水聽(tīng)器的本底噪聲。由REF5050構(gòu)成的穩(wěn)壓電源模塊原理圖如圖4所示。

圖4　電源模塊原理

2.2放大模塊

由矢量水聽(tīng)器接收到的信號(hào)是十分微弱的，最大信號(hào)峰峰值僅達(dá)到十幾個(gè)毫伏量級(jí)，此時(shí)共模噪聲干擾是引起測(cè)量誤差的主要因素，要有效地提取信號(hào)，關(guān)鍵是把有用信號(hào)進(jìn)行放大，抑制引入的共模干擾噪聲，這就要求運(yùn)算放大器的噪聲系數(shù)很低。低噪聲前置放大電路是微弱信號(hào)檢測(cè)的第1級(jí)，所以前置放大器應(yīng)該選擇高精度、低噪聲、高輸入阻抗、低輸出阻抗并且具有良好的線性增益的放大器。在通過(guò)對(duì)放大器本身的噪聲特性進(jìn)行研究后，選擇了ADI公司的AD623運(yùn)算放大器，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5　AD623結(jié)構(gòu)

AD623內(nèi)部是由3個(gè)運(yùn)算放大器組合而成的，具有良好的交流共模干擾抑制能力。通過(guò)A1和A2提供良好的跟隨性能，而有效地抑制共模干擾，降低信號(hào)源阻抗引入的影響，保持最小的誤差[6]。AD623能夠確保高增益精密放大器所需的低失調(diào)電壓漂移和低噪聲、低功耗等指標(biāo)，并且其放大倍數(shù)調(diào)節(jié)方式十分簡(jiǎn)便，只需在引腳1和引腳8之間連接一個(gè)電阻Rg即可設(shè)定增益，增益范圍1～1 000可調(diào)，增益計(jì)算公式為：

(1)

由AD623組成的放大模塊原理如圖6所示，只需改變R3的阻值即可以調(diào)整放大器的放大倍數(shù)。另外，在靠近運(yùn)放2極電源引腳處加旁路電容去耦，以消除震蕩與噪聲的影響，去耦電容選用0.1 μF的瓷片電容和10 μF的鉭電解電容[7]。

圖6　放大模塊原理

為了濾除信號(hào)中的高頻噪聲，在第1級(jí)放大器的輸入端放置一組RC無(wú)源低通濾波器，選取R為680 Ω，C為0.01 μF，則低通濾波器的截止頻率為：

(2)

為了抑制電路中的零點(diǎn)漂移，防止信號(hào)中的直流成分被再次放大，設(shè)計(jì)在第1級(jí)放大器的輸出端添加一個(gè)RC高通濾波器來(lái)濾除信號(hào)中的直流成分，選取C為10 μF，R為910 kΩ，則高通濾波器的截止頻率為：

(3)

設(shè)置第1級(jí)放大器的Rg為1.02 kΩ，即第1級(jí)放大倍數(shù)為100倍，設(shè)置第2級(jí)放大器的Rg為11 kΩ，即放大倍數(shù)為10倍，這樣信號(hào)總的放大倍數(shù)即為1 000倍。AD623采用差分輸入，接線方式為屏蔽電纜雙絞線，以降低噪聲影響[8]。

2.3濾波模塊

模擬濾波器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的地位舉足輕重，它的作用是濾除不感興趣頻段的信號(hào)[9]。作為整個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)的前端，濾波模塊起到了信號(hào)預(yù)處理的作用，從頻域上排除有用頻帶以外的頻率信號(hào)的干擾。由于海洋環(huán)境噪聲非常復(fù)雜[10](包括海洋動(dòng)力噪聲、生物噪聲、交通噪聲、工業(yè)噪聲和地震噪聲等等)，致使所采集的信號(hào)信噪比很低，這就需要調(diào)理電路中的模擬濾波器具有良好的濾波性能。

MAXIM公司生產(chǎn)的MAX274是單片集成有源濾波器，內(nèi)部由4個(gè)二階濾波器級(jí)聯(lián)組成，無(wú)需外接電容，不僅受雜散電容的影響很小，而且可以有效減小電路體積，提高電路性能[11]。只需改變MAX274外部引腳之間連接的電阻的阻值，即可以實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型和參數(shù)的濾波器性能，并且該芯片為連續(xù)時(shí)間型，比開(kāi)關(guān)型濾波器噪聲低，動(dòng)態(tài)特性好，且不需要外部時(shí)鐘，可以減少噪聲的引入。

在設(shè)計(jì)濾波器參數(shù)時(shí)，MAX274提供了一套專(zhuān)用的設(shè)計(jì)軟件，只需要設(shè)定濾波器的類(lèi)型、通帶內(nèi)最大衰減、阻帶內(nèi)最小衰減、截止頻率和Q值等參數(shù)，即可通過(guò)該軟件的迅速計(jì)算經(jīng)典的巴特沃斯、切比雪夫、貝塞爾或橢圓濾波器的極點(diǎn)、階數(shù)和Q值等[12]。軟件在DOS運(yùn)行環(huán)境下設(shè)置濾波器參數(shù)的界面如圖7所示。

設(shè)置截止頻率為3 kHz，通帶最大衰減3 dB，阻帶最小衰減30 dB的低通濾波器，由于水聲信號(hào)調(diào)理電路要求信號(hào)有較小的失真，因此要求濾波器在通帶內(nèi)具有良好的平坦度，因此選用八階巴特沃斯濾波器。根據(jù)需求設(shè)計(jì)好參數(shù)后，可以通過(guò)軟件得到濾波器的幅頻特性曲線，如圖8所示。

根據(jù)仿真圖設(shè)計(jì)出濾波模塊的原理圖，如圖9所示。

圖7　MAX274參數(shù)設(shè)置界面

圖8　MAX274幅頻特性曲線

圖9　濾波器模塊原理

3測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1放大模塊測(cè)試

用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生1 kHz，峰峰值為10 mV的正弦波信號(hào)，由于第1級(jí)放大器的輸入端為差分輸入，因此一端為正弦波信號(hào)，另一端接地。經(jīng)過(guò)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)第1級(jí)放大器的放大倍數(shù)為105倍，第2級(jí)放大器的放大倍數(shù)為11倍，通過(guò)分別調(diào)整電阻Rg的阻值，使得放大模塊總的放大倍數(shù)達(dá)到1 000倍。

但是由于考慮到AD623的負(fù)載電壓最高為6 V，如果設(shè)置電路整體的放大倍數(shù)為1 000倍，那么輸入信號(hào)的峰峰值最高為6 mV，當(dāng)大于6 mV時(shí)，電路的輸出信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)失真，因此，為了使調(diào)理電路具有較大的動(dòng)態(tài)范圍，通過(guò)調(diào)整第1級(jí)放大器的Rg的阻值，將第1級(jí)的放大倍數(shù)縮小為33倍，此時(shí)輸入信號(hào)的峰峰值的上限可以提高為18 mV，擴(kuò)大了調(diào)理電路輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。

3.2濾波模塊測(cè)試

由于放大電路將電壓幅度值只有幾個(gè)毫伏的輸入信號(hào)放大了300多倍，因此其輸出到濾波模塊的電壓只有零點(diǎn)幾伏。用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生峰峰值為0.2 V的正弦波信號(hào)，在100 Hz～5 kHz的頻帶內(nèi)對(duì)濾波電路進(jìn)行掃頻測(cè)試，并用示波器記錄輸出結(jié)果。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1　濾波模塊頻率測(cè)試結(jié)果

根據(jù)頻率測(cè)試結(jié)果，構(gòu)建濾波模塊的頻率響應(yīng)曲線，如圖10所示。由此可見(jiàn)，在通帶內(nèi)，濾波器的波形較為平滑，幾乎沒(méi)有出現(xiàn)失真的情況，當(dāng)信號(hào)頻率到達(dá)截止頻率3 kHz時(shí)，輸出信號(hào)產(chǎn)生了3 dB的衰減，當(dāng)頻率>3 kHz時(shí)，信號(hào)的衰減程度隨著頻率的增加而增加，基本與仿真結(jié)果一致。

圖10　濾波模塊的頻率響應(yīng)曲線

4結(jié)束語(yǔ)

MEMS矢量水聽(tīng)器是水下探測(cè)領(lǐng)域中出現(xiàn)的新型設(shè)備，但是在接收信號(hào)過(guò)程中容易受到環(huán)境噪聲的影響。因此研究設(shè)計(jì)了在降低電路本底噪聲的前提下的信號(hào)調(diào)理電路，通過(guò)軟件仿真以及實(shí)際測(cè)試結(jié)果可知，針對(duì)100 Hz～3 kHz的微弱信號(hào)，調(diào)理電路可以將通帶范圍以外的噪聲有效地濾除，并且在抑制輸出信號(hào)的共模噪聲的同時(shí)使有用信號(hào)的幅值增益到合適的大小，便于后續(xù)進(jìn)行信號(hào)分析和處理，對(duì)于水下探測(cè)領(lǐng)域具有一定的借鑒意義。

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胡天宇 男，(1991—)，在讀研究生。主要研究方向：電磁場(chǎng)與微波技術(shù)。

紀(jì)學(xué)軍男，(1966—)，碩士生導(dǎo)師，研究員。主要研究方向：射頻微波。

作者簡(jiǎn)介

收稿日期：2015-12-17

中圖分類(lèi)號(hào)TN 911.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)03-0075-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.21

引用格式：胡天宇,紀(jì)學(xué)軍.基于矢量水聽(tīng)器的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)研究[J].無(wú)線電工程,2016,46(3):75-78.