基于矢量水听器的信号调理电路设计研究

2016-04-09胡天宇纪学军

无线电工程 2016年3期

关键词：信噪比

胡天宇，纪学军

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

基于矢量水听器的信号调理电路设计研究

胡天宇，纪学军

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

摘要矢量水听器可以有效地获取水下的声信号，并将其转化成可以进行处理的电信号，但是此信号十分微弱，并且掺杂着水中复杂的噪声，为了有效实现信号处理，设计了信号调理电路，分为电源模块、放大模块和滤波模块，可以提高输出信号的信噪比。通过对电路进行仿真以及测试实验，验证了设计的有效性。

关键词矢量水听器；信号调理；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

在世界陆地资源不断匮乏的情况下，人类对覆盖地球表面面积71%的海洋资源的了解和利用仍不够充分[1]。随着科技的发展，人类的海洋活动越来越频繁，水下探测、目标识别、定位导航及通信等技术也得到越来越多的发展和应用[2]。

由于无线电信号在水中传播时的衰减很大，因此，声波成为水下信息传播的主要载体，矢量水听器可以将接收到的声信号转换成电信号，并且其灵敏度高，输出的差分信号具有良好的共模抑制比。但是，由于海洋环境中存在着大量的噪声，它们掺杂在有用信号中，使得传感器输出的微弱信号不易被区分出来，本文便针对这种情况进行信号的调理工作，进行低噪声电路的设计研究，并且将矢量水听器输出的电信号从复杂噪声中提取出来。

1矢量水听器工作原理

根据声学原理可知，如果声场中的接收处距离声源很远时，可以将声波视为平面波。本文所研究的是同振型矢量水听器，其接收设备处于中性浮力状态，从而当携带特定信息的声信号传播到传感器时，接收设备可以将声信号几乎无损耗地传感到由惠斯通电桥结构(如图1所示)组成的敏感梁上，硅梁形变产生应力变化，导致布置在芯片梁上的压敏电阻阻值发生变化，引起电压变化，通过梁上的惠斯通电桥，将振动信号转化为电压信号输出，从而实现对水下声信号方位、距离的测量[3]。

图1　惠斯通电桥结构

矢量水听器芯片上构成惠斯通电桥结构的压敏电阻分布图如图2所示，图2中R1～R8即为压敏电阻的布放位置，已经封装后的矢量水听器芯片如图3所示。

图2　压敏电阻分布图　　图3　封装后的矢量水听器芯片

2信号调理电路设计及仿真

在任何信号检测过程中，检测过程中的噪声都是不可避免的[4]。矢量水听器接收到的信号是十分微弱的，并且掺杂着海洋环境噪声和水下目标的自噪声，因此对信号处理电路的要求就很高，不仅需要具有良好的本底噪声，还需要能将微弱信号从噪声中提取出来。本文设计的调理电路主要分为3个模块：电源模块、放大模块和滤波模块。

2.1电源模块

由于惠斯通电桥的输出噪声与电源模块的纹波噪声密切相关，因此选用REF5050电源稳压芯片进行电压调理，它可以将输入电压调理成为5 V的输出电压，输出电压不仅能够作为惠斯通电桥的激励源，而且可以作为调理电路放大模块和滤波模块的供电电源。REF5050是TI公司的一款低噪声、低漂移及高精度稳压电源芯片。噪声低至3 μVpp/V，温度漂移最大不超过8 ppm/℃，纹波最大不超过0.1%[5]。其中C1为旁路电容，可以把外界输出电压中的高频杂波噪声率除掉，加以去耦电容C2的引入，可以有效避免整个电网抖动的反馈耦合，能极大地减小外部电源引入的电网噪声，有效地降低水听器的本底噪声。由REF5050构成的稳压电源模块原理图如图4所示。

图4　电源模块原理

2.2放大模块

由矢量水听器接收到的信号是十分微弱的，最大信号峰峰值仅达到十几个毫伏量级，此时共模噪声干扰是引起测量误差的主要因素，要有效地提取信号，关键是把有用信号进行放大，抑制引入的共模干扰噪声，这就要求运算放大器的噪声系数很低。低噪声前置放大电路是微弱信号检测的第1级，所以前置放大器应该选择高精度、低噪声、高输入阻抗、低输出阻抗并且具有良好的线性增益的放大器。在通过对放大器本身的噪声特性进行研究后，选择了ADI公司的AD623运算放大器，其结构图如图5所示。

图5　AD623结构

AD623内部是由3个运算放大器组合而成的，具有良好的交流共模干扰抑制能力。通过A1和A2提供良好的跟随性能，而有效地抑制共模干扰，降低信号源阻抗引入的影响，保持最小的误差[6]。AD623能够确保高增益精密放大器所需的低失调电压漂移和低噪声、低功耗等指标，并且其放大倍数调节方式十分简便，只需在引脚1和引脚8之间连接一个电阻Rg即可设定增益，增益范围1～1 000可调，增益计算公式为：

(1)

由AD623组成的放大模块原理如图6所示，只需改变R3的阻值即可以调整放大器的放大倍数。另外，在靠近运放2极电源引脚处加旁路电容去耦，以消除震荡与噪声的影响，去耦电容选用0.1 μF的瓷片电容和10 μF的钽电解电容[7]。

图6　放大模块原理

为了滤除信号中的高频噪声，在第1级放大器的输入端放置一组RC无源低通滤波器，选取R为680 Ω，C为0.01 μF，则低通滤波器的截止频率为：

(2)

为了抑制电路中的零点漂移，防止信号中的直流成分被再次放大，设计在第1级放大器的输出端添加一个RC高通滤波器来滤除信号中的直流成分，选取C为10 μF，R为910 kΩ，则高通滤波器的截止频率为：

(3)

设置第1级放大器的Rg为1.02 kΩ，即第1级放大倍数为100倍，设置第2级放大器的Rg为11 kΩ，即放大倍数为10倍，这样信号总的放大倍数即为1 000倍。AD623采用差分输入，接线方式为屏蔽电缆双绞线，以降低噪声影响[8]。

2.3滤波模块

模拟滤波器在数据采集系统中的地位举足轻重，它的作用是滤除不感兴趣频段的信号[9]。作为整个信号处理系统的前端，滤波模块起到了信号预处理的作用，从频域上排除有用频带以外的频率信号的干扰。由于海洋环境噪声非常复杂[10](包括海洋动力噪声、生物噪声、交通噪声、工业噪声和地震噪声等等)，致使所采集的信号信噪比很低，这就需要调理电路中的模拟滤波器具有良好的滤波性能。

MAXIM公司生产的MAX274是单片集成有源滤波器，内部由4个二阶滤波器级联组成，无需外接电容，不仅受杂散电容的影响很小，而且可以有效减小电路体积，提高电路性能[11]。只需改变MAX274外部引脚之间连接的电阻的阻值，即可以实现不同类型和参数的滤波器性能，并且该芯片为连续时间型，比开关型滤波器噪声低，动态特性好，且不需要外部时钟，可以减少噪声的引入。

在设计滤波器参数时，MAX274提供了一套专用的设计软件，只需要设定滤波器的类型、通带内最大衰减、阻带内最小衰减、截止频率和Q值等参数，即可通过该软件的迅速计算经典的巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔或椭圆滤波器的极点、阶数和Q值等[12]。软件在DOS运行环境下设置滤波器参数的界面如图7所示。

设置截止频率为3 kHz，通带最大衰减3 dB，阻带最小衰减30 dB的低通滤波器，由于水声信号调理电路要求信号有较小的失真，因此要求滤波器在通带内具有良好的平坦度，因此选用八阶巴特沃斯滤波器。根据需求设计好参数后，可以通过软件得到滤波器的幅频特性曲线，如图8所示。

根据仿真图设计出滤波模块的原理图，如图9所示。

图7　MAX274参数设置界面

图8　MAX274幅频特性曲线

图9　滤波器模块原理

3测试实验

3.1放大模块测试

用函数发生器产生1 kHz，峰峰值为10 mV的正弦波信号，由于第1级放大器的输入端为差分输入，因此一端为正弦波信号，另一端接地。经过测量，发现第1级放大器的放大倍数为105倍，第2级放大器的放大倍数为11倍，通过分别调整电阻Rg的阻值，使得放大模块总的放大倍数达到1 000倍。

但是由于考虑到AD623的负载电压最高为6 V，如果设置电路整体的放大倍数为1 000倍，那么输入信号的峰峰值最高为6 mV，当大于6 mV时，电路的输出信号就会出现失真，因此，为了使调理电路具有较大的动态范围，通过调整第1级放大器的Rg的阻值，将第1级的放大倍数缩小为33倍，此时输入信号的峰峰值的上限可以提高为18 mV，扩大了调理电路输入信号的动态范围。

3.2滤波模块测试

由于放大电路将电压幅度值只有几个毫伏的输入信号放大了300多倍，因此其输出到滤波模块的电压只有零点几伏。用函数发生器产生峰峰值为0.2 V的正弦波信号，在100 Hz～5 kHz的频带内对滤波电路进行扫频测试，并用示波器记录输出结果。测试结果如表1所示。

表1　滤波模块频率测试结果

根据频率测试结果，构建滤波模块的频率响应曲线，如图10所示。由此可见，在通带内，滤波器的波形较为平滑，几乎没有出现失真的情况，当信号频率到达截止频率3 kHz时，输出信号产生了3 dB的衰减，当频率>3 kHz时，信号的衰减程度随着频率的增加而增加，基本与仿真结果一致。

图10　滤波模块的频率响应曲线

4结束语

MEMS矢量水听器是水下探测领域中出现的新型设备，但是在接收信号过程中容易受到环境噪声的影响。因此研究设计了在降低电路本底噪声的前提下的信号调理电路，通过软件仿真以及实际测试结果可知，针对100 Hz～3 kHz的微弱信号，调理电路可以将通带范围以外的噪声有效地滤除，并且在抑制输出信号的共模噪声的同时使有用信号的幅值增益到合适的大小，便于后续进行信号分析和处理，对于水下探测领域具有一定的借鉴意义。

参考文献

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[12]刘国鹏.有源滤波器MAX274在电力参数测量中的应用[J].装备制造技术，2014(12)：138-140.

胡天宇男，(1991—)，在读研究生。主要研究方向：电磁场与微波技术。

纪学军男，(1966—)，硕士生导师，研究员。主要研究方向：射频微波。

作者简介