声纳前放模块相位一致性检测电路设计*

唐　彪　李耀波　孙琎烨

(92956部队　大连　116041)



声纳前放模块相位一致性检测电路设计*

唐彪李耀波孙琎烨

(92956部队大连116041)

摘要相位一致性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。传统的测量手段需要利用常规电子仪器，操作复杂，效率低下。为了提高相位一致性检测效率，利用现代电子测量技术设计了一种自动检测电路。实际应用证明，设计的电路能够快速、准确地实现前置放大模块的相位一致性检测，测量精度能够满足模块参数测量的要求。

关键词相位一致性; 前置放大模块; 声纳; 电子测量

Class NumberTH89

1　引言

相位一致性是声纳前置放大模块最重要的性能指标之一，采用传统的测量手段对其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。本文利用现代电子测量技术设计了一种自动检测电路。实际应用证明，设计的电路能够快速、准确地实现前置放大模块的相位一致性检测，测量精度满足模块参数测量的要求。

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，各通道相位不一致性指标范围在1.5°～6°。为实现对相位一致性的自动测量，主控模块控制程控扫频信号源，配合相位测量模块完成整个系统的测量过程。利用键盘进行整个测量过程的控制，测量结果通过液晶显示，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，在需要查看时可随时通过读取存储器调用查看；此外，主控模块利用USB串行总线将测量结果上传到计算机，方便测量数据的据分析、处理。

根据设计要求，系统以MCU为主控模块，包含信号产生模块、信号调理模块、相位测量模块、存储模块和人机接口模块等，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STC12C5A60S2单片机作为主控芯片。该芯片指令代码与传统8051兼容，片内集成1280字节RAM，60K程序存储空间，具备单时钟/机器周期工作模式，具有4个16位定时器，7路IO中断口，2个UART，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[1～2]。该芯片的16位定时器可以满足系统计时功能的要求。选用STC12C5A60S2作为主控模块，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]、直接频率合成[4～5]、锁相频率合成[6]、直接数字频率合成(DDS)等。为了使得产生波形的稳定、电路简单且程控调节方便，系统采用DDS集成芯片AD9850[7]，利用MCU通过程序控制产生所需频率的正弦信号。AD9850是AD公司生产的DDS芯片，可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出。其接口控制简单，可以用8位并行口或串行口直接输入频率、相位等控制数据。32位频率控制字，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0.2V～1V。系统采用MCU串行口控制的方式，产生频率范围为0.1Hz～40kHz的正弦信号，输出幅值1V，频率步进10Hz。

3.3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。信号调理模块共有3个，信号调理1、信号调理2根据信号的幅度需要进行适当的放大或衰减以适应相位测量电路对输入信号的要求。信号调理3作用是将信号进行一定的放大，以适应相位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。

信号调理1为程控衰减电路，采用DAC0832数模转换器构成，其设计电路原理如图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[8～9]：

(1)

式中，D即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

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。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。MCU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MCU，从而实现信号的数控自动增益控制。MCU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地获得输入信号的相位信息。

3.4相位测量模块设计

3.4.1实现过程

相位测量模块利用测时法进行相位差测量，其基本原理如图3所示。

电路中，LM339电压过零比较器如果采用施密特触发器可以得到的方波信号更稳定。但这样影响相位的测量，因此系统采用直接比较法，在软件中消除零点及噪声的干扰。74LS14为施密特触发反相器起到波形整形作用，使得方波边沿上升时间符合TTL电平要求并消除数字波形中的毛刺。基准、前放输出两路同频信号送入LM339构成的电压比较器得到如图4中U2A、U2B所示矩形脉冲，经过整形后送入D触发器得到如图4中的U5A、U5B两路波形，最后将U5A、U5B送入U6得到时间差脉冲τ，利用τ即可最终解算相位差Δφ。

图3　相位检测电路

3.4.2相位差及极性解算

假设经过比较整形后方波信号周期为T(图4)，则经过鉴相器U6A后的信号测量脉冲周期为T。测量脉冲周期T和脉冲宽度为τ，相位差计算公式为

(2)

为了进一步判断两路信号相位差极性，将波形整形电路的两路输出方波送入D触发器中进行相位极性判别。当U5A超前U5B时，D触发器U7A输出高电平，反之输出低电平，从而实现相位差的极性判断。

图4　相位检测电路各点输出波形

3.5系统测量误差分析

3.5.1鉴相处理电路误差分析

鉴相处理电路精度取决于从信号输入端到单片机捕获端通过的跟随器、电压比较器所产生的相位差和时间滞后。由于使用了直流耦合，使得跟随器产生的相移误差几乎为零，而两通道的电压比较器的时间滞后相同。此外，设计电路中使用单片集成的运放和比较器，一致性好，不会对测量结果产生影响。由于输入信号和运放、比较器固有特性都可能产生零点偏移，使比较器的输出不平衡。如果单边沿检测，显然影响精度。因此，系统软件设计中使用上下边沿均测量脉冲宽度。

受电子元器件性能的影响，鉴相后的方波受到干扰时，测量其脉宽存在转换误差。假设信号的干扰或噪声幅度为Vn，信号幅度为Vm，被测信号周期为T。在正弦信号的每一个上升沿均可能产生出发误差ΔTi，则有

(3)

则一个周期的随机误差为

(4)

将式(5)带入式(6)，可以得到

(5)

由于干扰和噪声均为随机过程，通过多周期平均法可以有效降低其测量误差。在相位差测量程序模块中，我们采用中位值平均滤波算法，来消除随机脉冲的干扰，同时降低转换误差带来的测量随机误差。

3.5.2计时模块误差分析

计时模块用来测量矩形脉冲的脉宽和周期，使用的单片机系统时钟自于晶振，误差可以忽略，主要误差为脉宽、周期测量误差。

STC12C5A60S2系统时钟采用12M晶振时，在单时钟工作模式下的计时频率为12M，计时周期为0.083μs，根据系统Δφ测量精度达到1°的要求，1个周期内(360°)12M的计时时钟要求360个计数脉冲，故：

(6)

根据式(6)得到fmax=33.3kHz，对于频率为20kHz的信号，信号周期为50μs，当Δφ测量精度要求达到1°时，矩形脉宽为50/360≈0.14μs，大于STC12C5A60S2系统时钟计时周期(约0.08μs)，由于声纳前放模块工作频率通常小于10kHz，测量精度1°对应的脉冲宽度应在0.3μs以上，因此采用STC12C5A60S2作为主控模块完全能够满足系统测相精度的设计要求。

脉宽及周期测量是在一定时间内对MCU时钟计数，从而引入±1误差。若最大计数误差为ΔN，总的计数值为N，则有：

(7)

式中，Tx为闸门时间，fx为被测信号频率。当相位差较小时，±1误差对测量精度影响较大。低于频率为fx的信号，Tx增大，可以减少±1误差对测量精度的影响。

为了减少±1误差对测量精度的影响，计时模块尽量增大闸门时间。测量周期时，选取Tx=1s；测量脉宽采用测量大脉宽的方法，当占空比大于50%时测量高电平宽度；当占空比小于50%测量低电平后与周期相减获得高电平脉宽。

4　系统软件设计

图5　主程序流程图

系统的软件部分采用模块化结构设计，各个子功能子模块独立。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、相位测量模块、人机接口模块以及存储模块等。系统软件主程序流程如图5所示。

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，设计了声纳前放模块相位一致性参数自动检测系统。系统能够快速、高效的检测前放模块相位一致性参数，具有体积较小、便于携带、性价比高等优点。通过维修保障中实际使用表明，系统可靠性、测量精度均满足前放模块指标检测要求。

参 考 文 献

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[10] 杨欣，胡文锦，张延强.实例解读模拟电子技术完全学习与应用[M].北京：电子工业出版社，2013:124-140.

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*收稿日期：2015年10月15日,修回日期：2015年11月27日

作者简介：唐彪，男，工程师，研究方向：电子装备综合保障、电子测量。李耀波，男，博士，工程师，研究方向：电子装备综合保障、水声工程、水声测控技术。孙琎烨，男，硕士，工程师，研究方向：水声电子技术、电子测量。

中图分类号TH89

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.042

Detection Circuit Design for Phase Consistency of Sonar Pre-amplifier Module

TANG BiaoLI YaoboSUN Jinye

(No. 92956 Troops of PLA, Dalian116041)

AbstractPhase consistency is one of the most important performance indexes of pre-amplifier module. Phase consistency is important for a sonar performance whether it is normal or not. It needs to adopt conventional electronic devices if the traditional measuring means are used to test phase consistency. The traditional measuring means are complicated and inefficient. In order to improve the efficiency， a kind of automatic detection circuit is designed by use of modern electronic measurement technology. The practical application shows that the designed circuit can be achieved quickly and accurately， and the measurement accuracy can meet the requirement of the system measurement.

Key Wordsphase consistency, pre-amplifier module, sonar, electronic measurement