声纳前放模块幅度增益检测电路设计*

2016-04-15温连峰李耀波曹黎明

舰船电子工程 2016年3期

关键词：声纳

温连峰　李耀波　曹黎明

(92956部队　大连　116041)

声纳前放模块幅度增益检测电路设计*

温连峰李耀波曹黎明

(92956部队大连116041)

摘要幅度增益是声纳前置放大模块最重要的性能指标之一,其正常与否对声纳装备整体性能至关重要。为了提高前放模块幅度增益的检测效率,基于现代电子测量技术和微控制器设计了一种幅度增益测量电路。该检测电路能够自动实现前放模块的幅度增益技术指标的检测且测量精度满足要求,从而缩短测试诊断时间,提高了装备维修保障效率。

关键词幅度增益; 声纳; 电子测量; 装备维修保障

Detection Circuit Design for Amplitude Gain of Sonar Pre-amplifier Module

WEN LianfengLI YaoboCAO Liming

(No. 92956 Troops of PLA, Dalian116041)

AbstractAmplitude gain is one of the most important performance indexes of pre-amplifier module. Amplitude gain is important for a sonar performance whether it is normal or not. In order to improve the detection efficiency of the amplitude gain of the pre-amplifier module, a measurement circuit is designed based on modern electronic measurement technology and micro controller. The detection circuit can automatically realize the measurement of the amplitude gain of the pre-amplifier module and the measurement accuracy can meet the requirements, so as to shorten the testing time and improve the efficiency of equipment maintenance and support.

Key Wordsamplitude gain, sonar, electronic measurement, equipment maintenance and support

Class NumberTB565

1引言

幅度增益检测是声纳前放模块日常维修中检测的重要指标之一。随着现代信息技术的广泛应用,声纳装备信息处理能力越来越强,因而需要的前放通道数目越来越多。现在各种回音声纳、综合声纳及被动声纳的前放模块少则几十块,多则数百块。采用传统的测量手段对前放模块进行检测需要利用常规电子仪器,操作复杂,效率低下,难以应对大规模前放模块的检测。本文设计了一种利用现代电子测量技术设计的前放模块幅度增益自动测量系统,能够全面、快速、准确地检测前放模块的技术指标,提高了维修效率,丰富了装备维修测试手段。

2系统要求及设计

根据对声纳前置放大模块统计分析,其工作频率一般≤10kHz。在工作频率范围内,前放模块的增益范围为10dB~60dB,其幅度不一致性要求≤1dB;放大器的最大输出电压(峰-峰值范围2V~5V)时波形无明显失真。为实现对幅度增益的自动测量,以ARM7系列为控制核心,一方面,控制DDS扫频信号源产生所需激励信号源,同时控制幅度增益测量模块测量前放模块输出信号的峰值,经过微控制器解算,实现幅度增益和幅度不一致性测量;另一方面,控制LCD对测量结果进行显示。利用独立式键盘输入相应操作命令,进行整个测量过程的控制,实现了友好的的人机交互。通过I2C总线对测量数据进行保存,在需要查看时可方便地回调查看;此外,主控模块利用USB串行总线将测量结果上传到计算机,方便测量数据的分析、处理。

根据设计要求,系统采用内核为ARM7TDMI CPU的微控制器为核心,包含信号产生模块、信号调理模块、幅度增益测量模块、存储模块和人机接口模块等。上电后,微控制器控制DDS信号源输出预定初始频率,经调理模块调理后输入待测网络,整个系统原理框图如图1所示。

图1　自动检测系统原理框图

3系统硬件设计

3.1主控模块设计

兼顾系统要求和经济成本,选用内核为ARM7TDMI CPU的微控制器[1]LPC2132作为主控芯片。其片内集成60K静态RAM,64K高速Flash存储器。片内晶体振荡电路支持频率为1MHz~30MHz,通过片内PLL可实现最大为60MHz的CPU操作频率。具有两个32位定时器,49路GPIO口,包含UART、I2C、SPI及SSP多种串行接口,8路高速10位A/D模块,同时集成看门狗、专用复位电路及外部掉电检测电路等功能[2]。该芯片的10位A/D模块对于5V的信号幅度电压,最低分辨率约为5mV,可以满足幅度及增益的测量要求;32位定时器可以满足系统计时功能的要求。选用LPC2132作为主控芯片,开发过程中能够容易进行程序修改,具有价格便宜、开发周期短的优点,且可以满足运算量、精度及实时性要求。

3.2信号产生模块设计

信号产生的方法主要有反馈型LC振荡器、集成振荡器[3~4]、直接频率合成[5~6]、锁相频率合成[7~8]、直接数字频率合成(DDS)等。DDS[9]系统的核心是相位累加器,它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成。它类似一个计数器,每来一个时钟信号,相位累加器的输出就增加一个步长K的相位增加量,其大小由频率控制字确定。相位寄存器的输出与相位控制字相加,然后输入到正弦查询表地址上。从查询表中读出相位累加器输出相位信号值对应的幅度数据,通过DAC将该数据转换成所需的模拟信号波形输出。

设计的系统采用AD公司的DDS集成芯片AD9850[9~11],该集成芯片能够产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的模拟正弦波。产生的波形稳定、电路简单且程控调节方便,在125MHz时钟下,输出频率分辨率为0.029Hz,频率范围为0.1Hz~40MHz,幅值范围为0.2~1V。AD9850接口控制简单,可以用8位并行口或串行口直接输入频率、相位的32位频率控制字。为减少IO资源占用,系统利用LPC2132作为控制核心,通过串行方式向AD9850发送控制字。

3.3存储模块设计

为了方便测量数据的分析、处理及保存,系统设有数据存储模块,将每次测量数据存至外部数据存储器。设计中外部数据存储器采用CAT24WC256,它是一个256K位串行CMOS E2PROM,通过I2C总线接口进行操作。I2C总线是PHLIPS公司推出的一种串行总线[12],是具有主机系统所需的包括总线裁决和高低速器件同步等功能的高性能串行总线。系统采用I2C总线设计,更改和扩充也极为容易,可大大简化系统硬件设计,减少系统体积,同时具有较高的可靠性。CAT24WC256内部含有32K字节存储空间,对测量数据采用二进制编码的形式保存。以每条数据需2个字节计算,能够保存约16K Byte的数据,完全满足数据存储需求。

3.4信号调理模块设计

由于测量网络对输入信号要求不同,信号源产生的正弦信号需要经过调理才能送入测量网络。模块内部设有限幅电路对过大的信号进行限幅,防止信号过大导致后续电路饱和。微弱信号经过前放模块后,根据信号的幅度需要进行适当的放大或衰减以适应峰值测量电路对输入信号的要求,信号调理模块共有三个。

3.4.1信号调理模块1

信号调理1为程控衰减电路,采用DAC0832数模转换器构成,其原理如图2所示。D/A转换器利用R-2R梯形解码网络实现数字量到模拟量的变换,在实际的应用中将需要衰减的量加到参考电压端(VREF),电流输出端(IOUT1和IOUT2)接入运放实现电流一电压的转换,反馈电阻(Rfb)直接与运放的输出相连,由此即可得到输出电压VOUT与输入的参考压VREF的关系[13]:

VOUT=D×VREF/256

(1)

式中,D是由单片机送出的数字量,通过软件改变D的值就可实现程控衰减。当8位数字量全为1时,输出电压最大,近似等于参考电压;当8位数字量全为0时,输出电压为0。由该方法构成的程控衰减器电路结构简单,稳定性好,性价比高。

图2　信号调理1设计电路

根据计算,衰减量在0~32dB内每步进1dB都可以得到相应的8位数字量,但在33dB~60dB范围内每步进1dB便不能得到相应的数字量。为了解决这一问题,设计中利用DAC0832进行0~19dB的细调衰减,步进值为1dB。在信号源部分的最终输出端加入固定的20dB和40dB粗调电阻衰减。

为了降低DAC0832的频率特性对不同频率信号衰减量不一致的影响,设计中将1V的直流电压输入到DAC0832的参考电压端,对直流电压做程控衰减。衰减之后的输出量再与DDS输出的正弦信号相乘,以此来实现对扫频信号源输出信号的程控衰减。

3.4.2信号调理模块2

信号调理2为电路数字控制自动增益电路,对被测前放模块输出进行放大或衰减,以匹配后续测量电路,其设计电路如图3所示。

图3　信号调理2设计电路

电路中采用ADI公司生产的AD603作为数控增益放大器设计实现信号调理。LPC2132控制DAC0832产生增益控制电压控制AD603增益,AD603输出经峰值检测电路后送到A/D模块,进行模数转换后送入LPC2132,从而实现信号的数控自动增益控制。LPC2132根据测量的信号大小和增益比,经过信号处理就可以不失真的获得输入信号的幅度信息。

3.4.3信号调理模块3

信号调理3作用是将信号进行一定的放大,以适应后续测量电路对输入信号的要求,由高速、低温漂运算放大器OP07构成放大电路,实现对信号的低噪放大。

3.5幅度增益测量模块设计

幅度增益测量模块的核心是峰值测量电路。通过测量前放模块输出信号的峰值,经过微控制器解算,实现幅度增益和最大不失真输出电压测量。此外,测量峰值电压还用来控制自动增益模块。

3.5.1峰值检测原理

最简单的峰值检测[14]依据半波整流原理构成电路(图4)。在交流电压的作用下,在正半周的峰值附近,通过二极管对电容C充电;在其它时段,电容C上的电压将对电阻R放电。由于二极管是非线性元件,当交流电压较小时,测量电路的直流电压(测量的峰值)会偏离信号峰值较多。可见,峰值测量电路测量误差与泄放电流有关,仅当泄放电流可不计时,测量峰值才等于输入信号的峰值。

图4　峰值检测原理

图5　高精度峰值检测电路

3.5.2峰值测量电路

本设计采用一种其电路改进的高精度峰值检测电路(图5),具体分析如下:

1)A2为开环的差动放大器,实现比较放大器功能,具有很高的增益,只要Vi略大于Vo,就可以输出很大的电压驱动D1对电容充电,从而保证了电路的测量速度;

2) 在Vi-Vo<0时,比较放大器的输出电压接近于负电源电压,使D1上有较大的反向电压,D1就会有一定的反向泄漏电流。为抑制D1的反向电流,应使D1的正极在反向时的电压只略低于Vo。为此,在比较放大器(A2)与D1之间增设二极管D2和电阻R2。在Vi>Vo时,A2输出较大的正向电压,使D2与D1导通对电容充电。在Vi

3) 为了避免次级输入电阻的影响,检测电路的输出端加一级跟随器(A1)作为隔离级,从而有效地隔离次级的影响,且跟随器的输出电压(Vo)可视为与电容上的电压相等;

4) 为了改善电路的速度,用非线性元件D3,将比较放大器组成非线性反馈的放大器。若D3的正向等效电阻为RD3,在RD3≪R3时,只要R3充分大,保持Vo值变化较小,对于输入信号来说,该电路相当于有偏置的跟随器。若RD3可不计则输出电压为

Vo2≅Vi-V0-VD3

(2)

Vo2的最低值为

Vo2min=-2Vp-VD3

(3)

式中Vp是输入电压Vi的峰值。在设计电路时,若使Vi的最大峰值小于A2的负向摆幅之半,则A2就可以保持在线性区工作。

峰值检波电路完成信号峰值测量后,LPC2132集成的10位A/D转换器将测量值转换成数字量,并完成幅度增益和最大不失真输出电压测量。

4系统软件设计

系统的软件部分采用模块化结构设计,各个子功能模块独立。采用C语言编写程序,具有调试灵活、可移植性好、编程效率高等优点。整个软件部分主要包括系统初始化、数控自动增益调整、信号调理1设置模块、数据传输模块、信号源设置模块、幅度增益测量模块、人机接口模块以及存储模块等。系统软件主程序流程如图6所示。

图6　主程序流程图

5结语

声纳前放模块输入信号要求在微伏至毫伏级,输出信号由模块自身放大指标决定。这种输入信号幅度小、输出信号幅度不定的特点导致其日常的指标检测操作复杂、效率不高。本文利用现代电子技术,通过分析前放模块幅度增益指标的特点,设计了一种自动检测电路。通过维修保障中实际应用,该电路能够快速、准确地检测前放模块幅度增益指标,缩短了前放模块测试诊断时间,提高了装备维修保障效率。

参考文献

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