水聲傳感器調(diào)理電路設(shè)計(jì)

林駿橋， 馬淑欣， 王旭光

（1.湖北大學(xué) 人工智能學(xué)院， 湖北 武漢 430062； 2.太原師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 山西 晉中 030619）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的日新月異，人類(lèi)的陸地資源越來(lái)越匱乏，而海洋中蘊(yùn)含著豐富的能源資源，能夠滿足人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的需要，所以海洋探測(cè)和水下目標(biāo)的定位和識(shí)別意義重大[1]。水聲傳感器可將采集的水聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，但此時(shí)的輸出信號(hào)非常微弱，且由于水下環(huán)境復(fù)雜，常常會(huì)受到海洋環(huán)境中各種噪聲的干擾，無(wú)法準(zhǔn)確地提取信號(hào)。因此需要對(duì)水聲傳感器的輸出信號(hào)先進(jìn)行調(diào)理，再送入后級(jí)電路進(jìn)行采集。由于調(diào)理電路自身的噪聲會(huì)直接影響有用信號(hào)的測(cè)量精度，故調(diào)理電路中的前置放大電路部分必須進(jìn)行低噪聲設(shè)計(jì)[2]。基于此，本文設(shè)計(jì)了一種低噪聲、高性能的信號(hào)調(diào)理電路。

本文采用亞德諾半導(dǎo)體（ADI）公司的AD8421 芯片進(jìn)行前置放大。該芯片是一款低成本、低功耗、極低噪聲、超低偏置電流的高速儀表放大器，其優(yōu)異的噪聲性能可以極大地降低調(diào)理電路的自噪聲，從而提高信號(hào)的可靠性。濾波電路和單端轉(zhuǎn)差分電路采用亞德諾半導(dǎo)體（ADI）公司的AD8022 芯片，該芯片是一款低功耗、低噪聲、低偏置電流的運(yùn)算放大器。通過(guò)電路仿真設(shè)計(jì)與實(shí)際加工測(cè)試可知，該調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)了固定增益20 dB，等效輸入噪聲2 μVrms 以內(nèi)，截止頻率處衰減小于1 dB，同時(shí)能將通帶外的噪聲有效去除，保證目標(biāo)信號(hào)符合后級(jí)采集電路的要求，可以廣泛應(yīng)用于微弱信號(hào)的采集系統(tǒng)。

1 電路設(shè)計(jì)與仿真

水聲傳感器調(diào)理電路包括阻抗匹配與差分保護(hù)電路、前置放大電路、四階高通濾波電路、二階低通濾波電路、轉(zhuǎn)差分電路，整體電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 水聲傳感器調(diào)理電路結(jié)構(gòu)框圖

1.1 阻抗匹配與差分保護(hù)電路

阻抗匹配的目的是從水聲傳感器處獲得最大的目標(biāo)信號(hào)，要想達(dá)到這樣的效果，必須要求調(diào)理電路的等效輸入阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水聲傳感器的輸出阻抗[3]。具體實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的方法有很多種，本設(shè)計(jì)考慮到電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和電路功能的實(shí)用性，在模擬信號(hào)輸入端采用RC 耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)水聲傳感器與后級(jí)電路之間的阻抗匹配，其中的電容可以阻斷模擬信號(hào)中的直流信號(hào)，避免直流分量對(duì)目標(biāo)信號(hào)的影響。阻抗匹配電路如圖2 所示。

圖2 阻抗匹配電路

在水下環(huán)境監(jiān)測(cè)到的目標(biāo)信號(hào)非常微弱，通常處于微伏級(jí)別，但在微弱信號(hào)中可能會(huì)有因受外部干擾而存在的瞬時(shí)電壓脈沖尖峰信號(hào)。該信號(hào)電壓幅度較大，可能會(huì)超出后級(jí)電路所允許的輸入電壓范圍，對(duì)后級(jí)芯片和其他元器件造成影響[4]。為了避免瞬時(shí)電壓脈沖尖峰信號(hào)的影響，本文設(shè)計(jì)如圖3 所示的差分保護(hù)電路。

圖3 差分保護(hù)電路

圖中D1、D2是型號(hào)為1N4148 的開(kāi)關(guān)二極管。其正向?qū)ê头聪蜃钄嘀g的反應(yīng)速度比其他二極管快，一般用于信號(hào)輸入端保護(hù)電路。根據(jù)芯片手冊(cè)可知，該型號(hào)開(kāi)關(guān)二極管的開(kāi)關(guān)速度最快可以達(dá)到4 ns，最大反向工作電壓為100 V。與普通的開(kāi)關(guān)二極管相比，該二極管極大地提高了輸入信號(hào)的幅度范圍，可以靈活運(yùn)用在不同測(cè)試場(chǎng)景中。

1.2 前置放大電路

前置放大電路的作用是將水聲傳感器采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行放大，以提高信號(hào)的抗干擾能力，減少共模噪聲的干擾，便于模擬信號(hào)在后級(jí)電路中的處理。考慮到放大電路既要對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大，又要保證大信號(hào)不失真，所以將前置放大電路的固定增益設(shè)為20 dB。在模擬電路中，各級(jí)電路噪聲不會(huì)消失且會(huì)隨著信號(hào)傳遞，對(duì)下一級(jí)電路造成影響。由于噪聲指標(biāo)是不大于2 μVrms，而最能影響系統(tǒng)整體噪聲的是前置放大電路，所以要盡量降低前置放大電路的噪聲干擾。本設(shè)計(jì)采用儀表運(yùn)算放大器來(lái)搭建前置放大電路，儀表運(yùn)放具有極高的共模抑制比、高輸入阻抗，可以很好地對(duì)差模信號(hào)進(jìn)行放大。前置放大電路如圖4 所示。

圖4 儀表運(yùn)放前置放大電路

本文選用的儀表運(yùn)放為亞德諾半導(dǎo)體（ADI）公司的AD8421 芯片，該芯片是一款低成本、低功耗、極低噪聲、超低偏置電流的高速儀表放大器，特別適合各種信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。這款產(chǎn)品具有極高的共模抑制比，可以在寬溫度范圍內(nèi)提取淹沒(méi)在高頻共模噪聲中的低電平信號(hào)。前端經(jīng)過(guò)保護(hù)電路傳來(lái)的差分信號(hào)進(jìn)入芯片的1 腳和4 腳，信號(hào)經(jīng)過(guò)固定增益放大后，以單端的形式從7 腳輸出。2 腳與3 腳相連的電阻R3是增益反饋電阻，通過(guò)調(diào)節(jié)R3的阻值，可實(shí)現(xiàn)電路不同的放大倍數(shù)。芯片的5 腳和8 腳是電源引腳，其中5 腳接負(fù)電源，8 腳接正電源。電路采用的是±5 V 雙電源供電，正負(fù)電源引腳分別并聯(lián)10 μF 和0.01 μF 電容，可以消除電源中的噪聲影響[5-7]。芯片的6 腳是基準(zhǔn)電壓引腳，本設(shè)計(jì)中該引腳接地。根據(jù)芯片手冊(cè)可知，反饋電阻與放大倍數(shù)的關(guān)系如下：

式中：G為電路放大倍數(shù)；RG為反饋電阻阻值。由于本設(shè)計(jì)中前置放大為固定增益20 dB（10 倍），可求得R3=1.1 kΩ。

1.3 濾波電路

由于水下環(huán)境極其復(fù)雜，水聲傳感器接收到的有用信號(hào)通常會(huì)摻雜著受水下環(huán)境中高低頻噪聲干擾的無(wú)用信號(hào)。為了濾除無(wú)用信號(hào)只保留有用信號(hào)，本文設(shè)計(jì)帶通濾波電路來(lái)消除高低頻噪聲。根據(jù)電路設(shè)計(jì)時(shí)所用元器件的不同，可將模擬濾波電路分為無(wú)源濾波器和有源濾波器。無(wú)源濾波器通常是由電阻、電容、電感等無(wú)源器件構(gòu)成，而有源濾波器則包含運(yùn)算放大器等有源器件。對(duì)無(wú)源濾波器與有源濾波器的主要特點(diǎn)進(jìn)行比較，如表1 所示。

表1 無(wú)源濾波器與有源濾波器的主要特點(diǎn)對(duì)比

有源濾波器的階數(shù)越高，濾波效果越接近理想磚墻式濾波器。根據(jù)響應(yīng)類(lèi)型，可將濾波器分為巴特沃斯型濾波器、切比雪夫型濾波器、貝塞爾型濾波器等三種。由于巴特沃斯型濾波器具有最平坦的通帶區(qū)間，而且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，所以本文設(shè)計(jì)了一種由四階有源SK（Sallen-Key）高通濾波器與二階有源MFB（多路反饋）低通濾波器級(jí)聯(lián)形成的高階有源巴特沃斯型帶通濾波器[8-9]。

1.3.1 四階有源SK 高通濾波器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的四階有源SK 高通濾波器是由兩級(jí)包含4 個(gè)阻容元件的二階SK 型高通濾波器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，其中二階SK 高通濾波電路如圖5 所示。

圖5 二階SK 高通濾波電路

根據(jù)基爾霍夫電流定律，對(duì)節(jié)點(diǎn)1 和節(jié)點(diǎn)2 列節(jié)點(diǎn)方程如下：

式中：U1為節(jié)點(diǎn)1 的電壓；U2為節(jié)點(diǎn)2 的電壓；Ui為輸入端電壓；Uo為輸出端電壓。

將式（2）、式（3）聯(lián)立可得電路的傳遞函數(shù)為：

通過(guò)查閱高階濾波器系數(shù)表可知，兩級(jí)二階高通濾波器的Q值分別為0.541 和1.307。取C7=C8= 1.5 μF時(shí)，計(jì)算電路各級(jí)2 個(gè)電阻的阻值，在滿足電路性能指標(biāo)的同時(shí)，既要保證能夠購(gòu)買(mǎi)到對(duì)應(yīng)阻值的電阻元件，又要適當(dāng)降低電阻的阻值，從而減小高通濾波電路中的噪聲[10-12]。SK 高通濾波器電路元件參數(shù)值如表2 所示。

表2 SK 高通濾波器電路元件參數(shù)

四階有源SK 高通濾波器仿真電路如圖6 所示，其幅頻響應(yīng)仿真結(jié)果如圖7 所示。

圖6 四階有源SK 高通濾波器仿真電路

圖7 四階有源SK 高通濾波電路幅頻響應(yīng)仿真結(jié)果

1.3.2 二階有源MFB 低通濾波器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的二階有源MFB 低通濾波器仿真電路如圖8 所示，它與SK 型的結(jié)構(gòu)不同，屬于反相輸入多路反饋濾波器。該電路是由3 個(gè)電阻、2 個(gè)電容和1 個(gè)運(yùn)算放大器組成[13]。二階MFB 低通濾波器的截止頻率fc為：

圖8 二階有源MFB 低通濾波器仿真電路

已知截止頻率fc、品質(zhì)因數(shù)Q、增益Am，只需確定阻容值參數(shù)。為了計(jì)算簡(jiǎn)便，在電路實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，常常會(huì)將電路中的3 個(gè)電阻選擇相同的阻值，同時(shí)為了降低電路中的噪聲，一般取R8=R9=R10= 10 kΩ。其中電容的值需滿足以下關(guān)系式：

從而可以計(jì)算得到C11= 47 pF，C12= 10 pF。

所設(shè)計(jì)的二階有源MFB 低通濾波電路幅頻響應(yīng)仿真結(jié)果如圖9 所示。

圖9 二階有源MFB 低通濾波電路幅頻響應(yīng)仿真結(jié)果

1.4 單端轉(zhuǎn)差分電路

前級(jí)差分信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大電路、濾波電路處理后，輸出變?yōu)閱味四M信號(hào)。由于單端模擬信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中很容易受到干擾，而差分信號(hào)傳輸具有能有效抵抗外部共模干擾、抑制偶次諧波失真等特點(diǎn)，在信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸中比單端信號(hào)形式更具有優(yōu)勢(shì)，因此本文中設(shè)計(jì)了單端轉(zhuǎn)差分電路，使調(diào)理電路的最終信號(hào)輸出為差分形式。單端轉(zhuǎn)差分電路結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

圖10 單端轉(zhuǎn)差分電路設(shè)計(jì)

根據(jù)運(yùn)放的“虛短虛斷”特性可知：

當(dāng)R12=R11時(shí)，VOUT= -VIN，即輸出信號(hào)與輸入信號(hào)幅值相等，相位相差180°。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般令R11=R12=R13= 10 kΩ，實(shí)現(xiàn)單端轉(zhuǎn)差分的目的。單端轉(zhuǎn)差分電路仿真結(jié)果如圖11 所示。

圖11 單端轉(zhuǎn)差分電路仿真結(jié)果

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的水聲傳感器調(diào)理電路的性能，對(duì)制板焊接之后的電路板實(shí)物進(jìn)行了功能模塊測(cè)試，主要包括放大電路測(cè)試、濾波電路測(cè)試和短路等效輸入噪聲測(cè)試。

2.1 放大電路測(cè)試

信號(hào)發(fā)生器輸出10 kHz、100 mVpp 的正弦波信號(hào)，接到調(diào)理電路板的輸入端，通過(guò)數(shù)字示波器觀察輸出信號(hào)幅值是否滿足增益20 dB 的要求。由數(shù)字示波器顯示的輸入信號(hào)和放大之后的輸出信號(hào)如圖12 所示。

圖12 前置放大電路增益測(cè)試結(jié)果

由圖12 可知：信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大后，變成輸出頻率為10 kHz、幅度為峰峰值1 V 的正弦波，波形完整平滑，增益為20 dB，相位一致性良好，滿足放大電路的設(shè)計(jì)要求。

2.2 濾波電路測(cè)試

信號(hào)發(fā)生器輸出幅值為100 mVrms 的信號(hào)，在50 Hz～1 000 kHz 頻帶內(nèi)對(duì)濾波電路進(jìn)行掃頻測(cè)試，用六位半數(shù)字交流毫伏表測(cè)量各頻點(diǎn)濾波電路輸出的電壓有效值，并用數(shù)字示波器觀察輸出信號(hào)波形，測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

表3 帶通濾波電路幅頻響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

由表3 數(shù)據(jù)可知：在100 Hz～500 kHz 的濾波器通帶內(nèi)，幅頻響應(yīng)平坦度小于1 dB，輸入信號(hào)在截止頻率100 Hz 時(shí)，輸出信號(hào)的衰減為-0.91 dB，在截止頻率500 kHz 時(shí)，輸出信號(hào)的衰減為-0.72 dB，滿足濾波電路的設(shè)計(jì)要求。

2.3 短路等效輸入噪聲測(cè)試

短路等效輸入噪聲測(cè)試是將調(diào)理電路板的輸入端短接到地，輸出端接測(cè)試用1 000 倍放大工具板，用六位半數(shù)字交流毫伏表測(cè)量1 000 倍放大板的差分輸出，然后折算成調(diào)理板的等效輸入噪聲，測(cè)試結(jié)果如表4 所示。

表4 短路等效輸入噪聲測(cè)試結(jié)果

3 結(jié) 論

水聲傳感器的輸出信號(hào)微弱，同時(shí)會(huì)受到外部噪聲干擾，不能直接進(jìn)行信號(hào)采集。本文針對(duì)這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種低噪聲、高性能的信號(hào)調(diào)理電路。通過(guò)電路仿真設(shè)計(jì)與實(shí)際加工測(cè)試可知，該調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)了固定增益20 dB，等效輸入噪聲2 μVrms 以內(nèi)，截止頻率處衰減小于1 dB，同時(shí)能將通帶外的噪聲有效去除，保證目標(biāo)信號(hào)符合后級(jí)采集電路的要求，可以廣泛應(yīng)用于微弱信號(hào)的采集系統(tǒng)。

注：本文通訊作者為王旭光。