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水声信号调理电路设计研究

摘要:通过在水声信号调理电路中引入对数放大电路实现了对于信号的压缩,并且电路结构简单,在AD采样位数不变的情况下拓宽了信号范围,并根据水声信号处理电路的工作要求设计了合适的带通滤波器,经仿真达到了设计要求,最终实现了对水声信号幅度和频谱的压缩。

关键词:对数放大器;增益控制;巴特沃斯滤波器

在水声系统中,对水声信号的增益控制和滤波是水声信号前置预处理过程的重要内容。由于水声信号幅度差异巨大,为了使其始终处于采样ADC的最佳采样区间内,必须对电路的增益进行控制。当输入信号较小时,增大电路增益,提高电路灵敏度,当输入信号较大时,减小电路增益,防止输出饱和。为了实现这一功能,当下的预处理电路往往要更加复杂。

1常用的增益控制方法

实现增益控制的方法有很多,在以往的设计中,以下方法应用较为广泛:1.1电阻衰减网络。图1基于模拟开关的电阻衰减网络如图1所示,通过多个电阻串联分压的方法实现信号的衰减,采用模拟开关(以ADG408为例)实现衰减回路的选通。当需要控制的增益档数较多时,电阻网络的阻值差距将越来越大,因此这种方法适用于低档位数的增益控制。1.2可编程电位器方法。这种方法是使用可编程电位器替代放大电路中的反馈电阻,一般采用多级级联的方式。由于水声信号处理通道数量大,要求通道增益及相位差异小,对通道中电阻等元器件精度要求较高,一般高于1%,因此,对可编程电位器的精度及分辨率有较高要求。1.3集成可调增益放大器。集成可调增益放大器通常应用于音频放大领域,分为数字式的可编程放大器(如PGA2310)和模拟式的电压控制放大器(如SSM2164),一般最大可实现100dB左右的控制范围以及0.5dB的控制精度。以上三种方法在水声信号增益控制领域均有应用,各有优缺点,在以往的设计中均有应用,但是三种方法均需要通过指令来被动控制增益,因此需要与数字电路进行交互,不可避免的引入干扰。为了降低控制信号对放大电路的影响,也为了获得更大的增益范围,同时不引入更加复杂的电路,必须采用更有效的增益控制手段。

2对数放大电路

利用PN结伏安特性的指数规律,将二极管接入反馈回路,可以实现对数运算,构成最简单的对数放大电路,如图2所示,其输入输出关系为。(1)通过仿真,可以得到电路的输入输出特性,如图3所示。当输入信号较小时,对数放大电路的增益较大,而当输入信号较大时,增益减小。利用对数放大电路可以实现108的增益范围,在不采用被动控制的情况下,即可压缩信号,因此非常适用于水声信号调理。在式(1)中,运算关系与UT和IS有关,因而电路容易受到温度影响,为了减小温度的影响,同时为了扩大输入电压的动态范围,利用特性相同的两只晶体管进行补偿,替代反馈回路中的二摘要:通过在水声信号调理电路中引入对数放大电路实现了对于信号的压缩,并且电路结构简单,在AD采样位数不变的情况下拓宽了信号范围,并根据水声信号处理电路的工作要求设计了合适的带通滤波器,经仿真达到了设计要求,最终实现了对水声信号幅度和频谱的压缩。关键词:对数放大器;增益控制;巴特沃斯滤波器中图分类号:TB56文献标识码:A文章编号:2096-4390(2018)30-0027-02T1=-lnÁÂOUTSUUUIR-27-极管,可以消去IS的影响,如图4所示。电路的输入输出关系为(2)由式(2)可知,当R5采用具备正温度系数的热敏电阻时,R5阻值的变化可以抵消UT因温度变化而引起的变化。通过对图5的仿真,可以看出,输出信号的幅度得到了明显的压缩,同时对于小信号,电路具备很高的灵敏度。

3滤波电路设计

在水声系统中,要求对调理电路的工作带宽加以限制,以滤除干扰。根据滤波器的滤波特性,常用的滤波器有巴特沃斯、切比雪夫、反切比雪夫和椭圆滤波器四种形式。在所有全极点滤波器中,巴特沃斯滤波器的通带特性最为平坦,并且在以上四种滤波器中巴特沃斯滤波器的相位特性比同阶数的其他三种滤波器都好。最终低通及高通滤波器均选择四阶巴特沃斯滤波器,采用压控压源(VCVS)电路形式实现,如图6及图7所示。将所设计的单通道电路进行仿真,得到前置预处理通道的频响曲线如图8所示,工作频带为3kHz~50kHz,最大增益在频点37.25kHz处,约为70.26dB,边频点3kHz处的增益约为69.73dB,50kHz的增益约为69.58dB,带内起伏不大于1dB,满足了设计要求。

4结论

通过在调理电路中引入对数放大电路替代增益控制电路,使得输出信号的幅度得到显著压缩,而对于小信号,保证了很高的灵敏度,使得在不进行被动增益控制的情况下可以处理更宽的输入信号,拓宽了相同AD位数下的采样范围;四阶带通滤波器的设计保证了电路合适的工作频带。综上,该信号调理电路对水声信号的幅度和频谱进行了有效的压缩,可以满足实际应用要求。

作者:张浩 单位:中船重工第七一五研究所

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