矢量水听器信号模数转换电路设计与实现∗

孙巍韩梅

（海军潜艇学院 青岛 266071）

矢量水听器信号模数转换电路设计与实现∗

孙巍韩梅

（海军潜艇学院 青岛 266071）

为实现对矢量水听器信号的模数转换，设计一种高精度四通道模数转换电路。电路功能包括矢量水听器输出信号的滤波处理、电压调节以及模数转换。电路自身体积小、功耗低，适合应用在水下无人探测平台。

矢量水听器；模数转换；滤波电路；电压调节

C lassNum ber TP301

1 引言

目前在水下目标探测领域，矢量水听器作为一种高灵敏度的声电换能器，常应用于声纳等水声探测设备。矢量水听器可以同时测量水下声场中的声压标量信号和振速矢量信号，能够为信号处理系统提供更全面的声场信息［1］。通常，目标的噪声信号在远距离传播过程中能量衰减巨大，信号强度微弱。为了获取精确的声场信息，前端信号的数据采集精度需要达到相应水平。

在实际工程中，模拟信号采集通常需要模数转换器来实现数字化过程。本文结合AD转换器等相关芯片的使用手册设计出满足性能指标的模数转换电路。在硬件设计中采用适当的降噪措施，减小其他噪声对数据采集精度的影响。

2 电路设计原理

论文根据设计指标对电路的具体功能和主要参数进行了分析和计算，该电路主要完成对矢量水听器的信号调理和模数转换。主要器件有放大器、降压型稳压器以及AD转换器。由于模数转换电路易受到噪声影响，论文采取的降噪措施包括：电源转换电路中采用线性稳压器，减小电源纹波；滤波电路中采用差分输入方式，消除信号中的共模噪声；在带通滤波设计中，利用电压跟随器隔离噪声，降低AD输入通道的噪声引入；在PCB布局设计中对模拟地和数字地进行分割［2］，防止高频数字电路对模拟电路产生影响。

2.1 模拟信号调理电路设计

模拟信号调理电路包括滤波电路和电压调节电路。根据矢量水听器的工作带宽和尺寸要求，选用增益可控仪表放大器和高精度运算放大器设计带通滤波器和电压调节电路。利用AD1274的输出参考电压调节模拟信号的幅值范围，模拟信号调理电路框图如图1所示。

图1 模拟信号调理电路框图

2.1.1 带通滤波器与电压调节电路

该部分电路设计中采用一阶高通滤波器和二阶低通滤波器组合成带通滤波器［3］。为了防止模拟信号的幅值产生较大衰减，一阶高通滤波器的电阻选用大阻值电阻。差分的输入方式可以有效的抑制共模噪声。二阶低通滤波器中的电压跟随器起到隔离噪声和提高带负载能力的作用。带通滤波器原理图如图2所示。

2.1.2 电压调节电路

电压调节电路选用美国模拟器件公司所生产的AD8221精密仪表放大器和OP2177精密运算放大器。AD8221是一种增益可控仪表放大器，在同类产品中共模抑制比最高，可以抑制宽带干扰和线路谐波［4］。OP2177具有极低失调电压、低输入偏置电流、低噪声及低功耗等优良特性［5］。两种精密器件广泛应用于数据采集、航空航天仪器等领域。本文利用增益可调电阻、参考输出端以及AD1274自身输出的2.5V参考电压调节模拟信号的幅值范围，原理图如图3所示。

图2 带通滤波器原理图

图3 电压调节电路原理图

AD8221的7引脚和6引脚分别为OUTPUT和REF端，桥路1由R34和R35组成，根据理想放大器在线性放大的工作条件下的输入端可以看成近似短路［6］，可以得到节点1的电压约为2.5V，桥路2由R37，R36和R38组成，其阻值比为2：1：2，R36两端的电压差为±2.5V，由于节点1和节点2处于所属两个桥路的相同压降位置，R36的两端电压波动中心点被调整为2.5V，使得R36两端的信号幅度被调整为0～5V。

2.2 供电电源设计

水密罐体内的供电电源分别输出±16V和+5.5V两种直流电源。为了满足供电需求，先对±16V电压进行降压处理，AD1274的AVDD，IOVDD，VREFP，DVDD 引脚分别需要接+5V，+3.3V，+2.5V，+1.8V。其中 5V转为 2.5V选用REF5025AIDR芯片［7］，3.3V转1.8V选用低压差线性稳压器XC6219B182MR，工作电压2.0～6.0V，稳定电压为1.8V（±2%），器件内部包含参考电压源、误差运算放大器、驱动三极管以及相位补偿电路［8］。10.24Mhz晶振在3.3V供电下为ADS1274提供工作时钟。其电压转换关系如图4所示。

图4 电源电压转换框图

2.3 模数转换器工作电路设计

2.3.1 AD转换器选型

本文首先对不同类型的AD转换器性能特点做了比较，目前常用的AD转换器类型包括：SAR型、Delta-Sigma型、Pipeline型［9］。三类AD转换器的转换速率和分辨率参数如表1所示。

表1 三种AD转换器主要性能参数

根据表1中的参数可以选定Delta-Sigma型AD转换器，在TI公司提供的产品筛选栏中输入参数，例如：通道数、采样率以及采样精度等可以找到符合要求的ADS1274器件。经过理论计算，AD1274能够测量的绝对最小电平可以达到0.3μV，低于矢量水听器的最低测量电压，其他电气参数能够满足设计要求，选用该模数转换器作为电路的核心器件。

2.3.2 AD转换器模式配置电路

ADS1274的操作模式有四种，包括高速模式、高精度模式、低功耗模式以及低速模式，每种模式下都可以进行四路信号同步转换，输出方式采用SPI接口协议［10］。其模式配置电路框图如图5所示。

其中AINP［3：0］和AINN［3：0］为接收模拟电信号的差分输入引脚，AVDD和AGND为模拟信号通道的供电引脚，DVDD和DGND为数字信号输出通道的供电引脚。MODE［1：0］引脚可以选择AD1274的工作模式，这里选择高精度转换模式。SPI模式下数据输出宽度为1bit，DOUT1为数字信号输出端，根据引脚FORMAT［2：0］的功能说明，选用TDM模式（时分复用模式），四个模拟通道24位AD转换数据由DOUT1口依次输出。与其他主控芯片完成数据交换的控制接口有SCLK，DRDY和SYNC，其中SCLK作为芯片间的同步时钟；DRDY作为接收主控的命令端口，等待主控发出的命令；SYNC作为芯片使能，控制数据交换的开始和结束。

图5 AD1274模式配置电路框图

2.4 印制电路板设计

由于电源种类较多，PCB采用四层设计方式［11］，具体实物图及布局设计如图6所示。Top layer主要放置仪表放大器、贴片0805电阻、大体积电解电容以及AD转换器。在滤波布局中，为了尽量避免相位差，在元件放置时采用对齐方式，尽量使得四路滤波器结构保持一致；Intersignal_1是中间层，在该层中布置了±12V的供电电源线，利用地平面屏蔽干扰；Intersignal_2中包括模拟地、数字地、+3.3V和＋5V电源平面，在模数混合电路中为了避免数字电路对模拟电路产生影响，采用数字地和模拟地分开的方式，这样可以有效降低电路自噪声，保证采集数据的准确性；Bottom layer主要放置去耦电容、旁路电容以及降压稳压器。在电源转换的电压输出端口处进行铺铜并设置多个过孔，减小从顶层到底层的阻抗，提高电源引脚的载流能力。两组2mm双列直角排针用于连接供电电源板和其他信号处理板。

3 性能测试

为了检测电路板的性能参数，论文分别做了模拟信号还原实验和滤波器截至频率测试实验。为了防止输入信号幅值过大而损坏电路，使用信号发生器产生100mV，1KHz的正弦波模拟工作频带内的目标信号，数据采集设备通过串口将采样数据上传至PC机，利用Matlab软件对采集数据进行FFT变换［12］，绘制出的频谱图如图7所示。

图6 成品实物图及四层PCB设计

图7 100mV，1Khz正弦信号采集数据的FFT仿真结果

从图中可以看到，1KHz的信号幅度达到±91.3mV，信号产生衰减的主要原因在于信号调理电路的输入输出端口都有等效负载阻抗。根据仿真结果，数据采集的信号频率与原始模拟信号频率完全一致。

为了验证滤波效果，将100mV的正弦信号频率设定为50Hz和5KHz，用于模拟噪声信号，在其他条件不变的情况下，其频谱图如图8所示。

从图像中可以看出，在50Hz和5KHz的正弦信号幅度分别衰减为45.47mV和63.8mV，截止频率处的衰减率达到设计要求。

图8 50Hz和5KHz正弦信号采集数据的FFT仿真结果

模数转换模块的主要指标参数如表2所示。

表2 电路主要技术指标

4 结语

论文根据性能指标设计了一种高精度模数转换模块，该模块由模拟电路和数字电路两部分组成。模拟电路主要进行信号调制，利用增益可控放大器，电桥和2.5V偏置电压调节电压范围。二阶低通滤波与电压跟随器的组合使得高频噪声衰减效果更显著。数字电路主要完成模拟信号的数字化，AD转换器的分辨率为24bit，采样频率可以达到52kSPS，其工作模式可以根据要求进行切换。在保证采样精度的条件下，转换速度比同类积分型模数转换器的更快。为了提高信噪比，PCB采用合理的布线布局和电平面，降低信号传递过程中的阻抗和信号线之间的干扰。根据实验对相关性能的测试结果，该模块的各项性能达到要求。

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Design and Im p lem entation of Analog to DigitalConversion Circuit for Vector Hydrophone

SUNWei HANMei
（Navy Submarine Academy，Qingdao 266071）

In order to achieve the analog to digital conversion of vectorhydrophone signal，a high-precision four channels conversion circuit is designed.The circuitcan complete the analog signal filtering，voltage regulation and high-precision analog-to-digital conversion.With the advantages of small size and low power consumption，the circuit is suitably applied to the underwater unmanned platform.

vectorhydrophone，analog-to-digitalconversion，filter circuit；voltage regulation

TP301

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.032

2017年3月10日，

2017年4月29日

孙巍，男，硕士研究生，研究方向：矢量水听器信号采集与处理。韩梅，女，硕士研究生，教授，研究方向：水声环境效应。