一種低噪聲微弱信號調理電路設計

呂國飛，姜清華

（上海船舶電子設備研究所，上海，201104）

一種低噪聲微弱信號調理電路設計

呂國飛，姜清華

（上海船舶電子設備研究所，上海，201104）

水下主動聲納探測系統(tǒng)是通過發(fā)射換能器發(fā)射主動聲信號，水聽器檢測回波信號完成目標探測和方位估計等任務。由于水聽器輸出信號微弱，易被復雜的海洋環(huán)境噪聲干擾不能直接用于后續(xù)采集電路，要求信號調理電路具有高增益并且自噪聲遠低于水聽器輸出信號。而且主動聲吶工作在近距離時，水聽器接收到的混響信號遠高于目標的回波信號，水聽器接收到的信號動態(tài)范圍大。本文提出的一種低噪聲微弱信號調理電路，是一種低噪聲、高增益、大動態(tài)范圍、高一致性的信號調理電路。

低噪聲；大動態(tài)范圍； 一致性；濾波；水聲

0　引言

現(xiàn)代聲吶技術的發(fā)展始于20世紀，最初應用于軍事，即對水下目標進行探測、分類、定位和跟蹤，進行水下通信和導航，保障艦艇的水下安全。水下主動探測系統(tǒng)依靠接收回波信號完成對水下目標探測和方位估計等任務。根據(jù)主動聲吶方程可知，回波能量FL：

1　低噪聲設計

信號調理電路的主要作用是放大微弱信號，對于降低噪聲干擾，提高整個聲吶系統(tǒng)的性能起著至關重要的作用。信號調理電路噪聲主要由電源線路噪聲和放大器噪聲組成。

1.1電源設計

電源是通過ACDC模塊將220VAC電壓轉換成±8VDC，使用低紋波系數(shù)的LDO穩(wěn)壓芯片將±8VDC轉換成±5VDC給信號調理電路供電。在各器件電源引腳并聯(lián)10uF鉭電容和0.1uF的瓷片對電源線路進行濾波，在各級電源之間各級之間添加電阻用來隔離各級之間電源干擾，以降低信號調理電路噪聲。

1.2放大器噪聲控制

低噪聲運放的噪聲指標常以噪聲電壓En和噪聲電流In給出，圖1給出了運算放大器噪聲的標準模型。

放大器的等效輸入噪聲可以表示為

圖1　

則放大器輸出噪聲可以表示為

通過以上分析選擇，可以通過選擇合理的運算放大器來降低電路噪聲，并通過合理的布局布線降低線路板對電路噪聲的影響。

運算放大器噪聲模型

2　濾波器設計

圖2.1　一階帶通濾波器

由于水聲信號對在高頻時衰減很大，導致水聲信號帶寬很窄。由于同一艘艦船聲吶設備很多，通過設計合理的濾波器參數(shù)降低后續(xù)信號處理難度并且可以避免或降低其他設備對本設備影響。

給定指標通帶：10kHz-15kHz，各通道間起伏不超過±0.5dB，過渡帶為0.2fc，帶外衰減不低于40dB。為滿足以上指標，采用10階帶通濾波器實現(xiàn)。其一階單元如圖2.1所示。合理調節(jié)各階帶通濾波順序使得濾波器增益始終不高于0dB，其整體濾波特性如圖2.2所示。

10階帶通濾波器濾波特性

圖2.2

3　大動態(tài)高增益設計

由于在近距離回波中混響占主要成分且強度很大所以需要負增益。因此信號調理電路實現(xiàn)-15dB-85dB連續(xù)可調。電路采用多級增益放大方式實現(xiàn)大動態(tài)高增益設計。電路結構框圖如圖3所示。

前放采用低噪聲儀表放大器SSM2019B結合ADG608使用，實現(xiàn)0dB-30dB分6檔可調。帶通濾波器和二級放大采用低噪聲運算放大器OPA2376實現(xiàn)。使用VCA810ID實現(xiàn)-35dB - +35dB的壓控增益。

由于在水下存在能量很大的低頻信號，所以將濾波器前三級移至壓控增益前端，防止低頻信號在前放放大后導致VCA810ID輸入限幅。

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標。通過合理選型可以實現(xiàn)較高的通道一致性，包括選擇高精度的電阻、電容，選擇帶寬增益積較高的運算放大器。并且要求各種器件要求同一批次，以求獲得同向偏移。采用butterworth濾波器可以獲得一個較好的通道一致性。對于個別通道一致有所偏差，可以通過微調個別電阻和電容實現(xiàn)通道一致性。

5　結束語

實驗證明，信號調理電路達到了預期的指標，并取得良好效果。通帶范圍內幅度響應較為平坦。信號調理電路輸入噪聲也控制在一個較低水平。

10階Butterwort帶通濾波器，實現(xiàn)單通道帶內起伏優(yōu)于±1dB，各通道幅度一致性優(yōu)于±1dB，相位一致性優(yōu)于±4°。等效輸入噪聲優(yōu)于，實現(xiàn)100dB的大動態(tài)設計。本文提出的一種低噪聲微弱信號調理電路已在設備中使用，得到良好效果。

［1］ 康真威. 一種前置信號預處理電路模塊的設計［J］ 聲學與電

圖3　電路結構框圖

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

呂國飛 （1987-），男，浙江衢州人，碩士，助理工程師，研究方向：水下信號處理。