基于矢量水聽器的信號調理電路設計研究

胡天宇，紀學軍

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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基于矢量水聽器的信號調理電路設計研究

胡天宇，紀學軍

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要矢量水聽器可以有效地獲取水下的聲信號，并將其轉化成可以進行處理的電信號，但是此信號十分微弱，并且摻雜著水中復雜的噪聲，為了有效實現信號處理，設計了信號調理電路，分為電源模塊、放大模塊和濾波模塊，可以提高輸出信號的信噪比。通過對電路進行仿真以及測試實驗，驗證了設計的有效性。

關鍵詞矢量水聽器；信號調理；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

在世界陸地資源不斷匱乏的情況下，人類對覆蓋地球表面面積71%的海洋資源的了解和利用仍不夠充分[1]。隨著科技的發展，人類的海洋活動越來越頻繁，水下探測、目標識別、定位導航及通信等技術也得到越來越多的發展和應用[2]。

由于無線電信號在水中傳播時的衰減很大，因此，聲波成為水下信息傳播的主要載體，矢量水聽器可以將接收到的聲信號轉換成電信號，并且其靈敏度高，輸出的差分信號具有良好的共模抑制比。但是，由于海洋環境中存在著大量的噪聲，它們摻雜在有用信號中，使得傳感器輸出的微弱信號不易被區分出來，本文便針對這種情況進行信號的調理工作，進行低噪聲電路的設計研究，并且將矢量水聽器輸出的電信號從復雜噪聲中提取出來。

1矢量水聽器工作原理

根據聲學原理可知，如果聲場中的接收處距離聲源很遠時，可以將聲波視為平面波。本文所研究的是同振型矢量水聽器，其接收設備處于中性浮力狀態，從而當攜帶特定信息的聲信號傳播到傳感器時，接收設備可以將聲信號幾乎無損耗地傳感到由惠斯通電橋結構(如圖1所示)組成的敏感梁上，硅梁形變產生應力變化，導致布置在芯片梁上的壓敏電阻阻值發生變化，引起電壓變化，通過梁上的惠斯通電橋，將振動信號轉化為電壓信號輸出，從而實現對水下聲信號方位、距離的測量[3]。

圖1　惠斯通電橋結構

矢量水聽器芯片上構成惠斯通電橋結構的壓敏電阻分布圖如圖2所示，圖2中R1～R8即為壓敏電阻的布放位置，已經封裝后的矢量水聽器芯片如圖3所示。

圖2　壓敏電阻分布圖　　圖3　封裝后的矢量水聽器芯片

2信號調理電路設計及仿真

在任何信號檢測過程中，檢測過程中的噪聲都是不可避免的[4]。矢量水聽器接收到的信號是十分微弱的，并且摻雜著海洋環境噪聲和水下目標的自噪聲，因此對信號處理電路的要求就很高，不僅需要具有良好的本底噪聲，還需要能將微弱信號從噪聲中提取出來。本文設計的調理電路主要分為3個模塊：電源模塊、放大模塊和濾波模塊。

2.1電源模塊

由于惠斯通電橋的輸出噪聲與電源模塊的紋波噪聲密切相關，因此選用REF5050電源穩壓芯片進行電壓調理，它可以將輸入電壓調理成為5 V的輸出電壓，輸出電壓不僅能夠作為惠斯通電橋的激勵源，而且可以作為調理電路放大模塊和濾波模塊的供電電源。REF5050是TI公司的一款低噪聲、低漂移及高精度穩壓電源芯片。噪聲低至3 μVpp/V，溫度漂移最大不超過8 ppm/℃，紋波最大不超過0.1%[5]。其中C1為旁路電容，可以把外界輸出電壓中的高頻雜波噪聲率除掉，加以去耦電容C2的引入，可以有效避免整個電網抖動的反饋耦合，能極大地減小外部電源引入的電網噪聲，有效地降低水聽器的本底噪聲。由REF5050構成的穩壓電源模塊原理圖如圖4所示。

圖4　電源模塊原理

2.2放大模塊

由矢量水聽器接收到的信號是十分微弱的，最大信號峰峰值僅達到十幾個毫伏量級，此時共模噪聲干擾是引起測量誤差的主要因素，要有效地提取信號，關鍵是把有用信號進行放大，抑制引入的共模干擾噪聲，這就要求運算放大器的噪聲系數很低。低噪聲前置放大電路是微弱信號檢測的第1級，所以前置放大器應該選擇高精度、低噪聲、高輸入阻抗、低輸出阻抗并且具有良好的線性增益的放大器。在通過對放大器本身的噪聲特性進行研究后，選擇了ADI公司的AD623運算放大器，其結構圖如圖5所示。

圖5　AD623結構

AD623內部是由3個運算放大器組合而成的，具有良好的交流共模干擾抑制能力。通過A1和A2提供良好的跟隨性能，而有效地抑制共模干擾，降低信號源阻抗引入的影響，保持最小的誤差[6]。AD623能夠確保高增益精密放大器所需的低失調電壓漂移和低噪聲、低功耗等指標，并且其放大倍數調節方式十分簡便，只需在引腳1和引腳8之間連接一個電阻Rg即可設定增益，增益范圍1～1 000可調，增益計算公式為：

(1)

由AD623組成的放大模塊原理如圖6所示，只需改變R3的阻值即可以調整放大器的放大倍數。另外，在靠近運放2極電源引腳處加旁路電容去耦，以消除震蕩與噪聲的影響，去耦電容選用0.1 μF的瓷片電容和10 μF的鉭電解電容[7]。

圖6　放大模塊原理

為了濾除信號中的高頻噪聲，在第1級放大器的輸入端放置一組RC無源低通濾波器，選取R為680 Ω，C為0.01 μF，則低通濾波器的截止頻率為：

(2)

為了抑制電路中的零點漂移，防止信號中的直流成分被再次放大，設計在第1級放大器的輸出端添加一個RC高通濾波器來濾除信號中的直流成分，選取C為10 μF，R為910 kΩ，則高通濾波器的截止頻率為：

(3)

設置第1級放大器的Rg為1.02 kΩ，即第1級放大倍數為100倍，設置第2級放大器的Rg為11 kΩ，即放大倍數為10倍，這樣信號總的放大倍數即為1 000倍。AD623采用差分輸入，接線方式為屏蔽電纜雙絞線，以降低噪聲影響[8]。

2.3濾波模塊

模擬濾波器在數據采集系統中的地位舉足輕重，它的作用是濾除不感興趣頻段的信號[9]。作為整個信號處理系統的前端，濾波模塊起到了信號預處理的作用，從頻域上排除有用頻帶以外的頻率信號的干擾。由于海洋環境噪聲非常復雜[10](包括海洋動力噪聲、生物噪聲、交通噪聲、工業噪聲和地震噪聲等等)，致使所采集的信號信噪比很低，這就需要調理電路中的模擬濾波器具有良好的濾波性能。

MAXIM公司生產的MAX274是單片集成有源濾波器，內部由4個二階濾波器級聯組成，無需外接電容，不僅受雜散電容的影響很小，而且可以有效減小電路體積，提高電路性能[11]。只需改變MAX274外部引腳之間連接的電阻的阻值，即可以實現不同類型和參數的濾波器性能，并且該芯片為連續時間型，比開關型濾波器噪聲低，動態特性好，且不需要外部時鐘，可以減少噪聲的引入。

在設計濾波器參數時，MAX274提供了一套專用的設計軟件，只需要設定濾波器的類型、通帶內最大衰減、阻帶內最小衰減、截止頻率和Q值等參數，即可通過該軟件的迅速計算經典的巴特沃斯、切比雪夫、貝塞爾或橢圓濾波器的極點、階數和Q值等[12]。軟件在DOS運行環境下設置濾波器參數的界面如圖7所示。

設置截止頻率為3 kHz，通帶最大衰減3 dB，阻帶最小衰減30 dB的低通濾波器，由于水聲信號調理電路要求信號有較小的失真，因此要求濾波器在通帶內具有良好的平坦度，因此選用八階巴特沃斯濾波器。根據需求設計好參數后，可以通過軟件得到濾波器的幅頻特性曲線，如圖8所示。

根據仿真圖設計出濾波模塊的原理圖，如圖9所示。

圖7　MAX274參數設置界面

圖8　MAX274幅頻特性曲線

圖9　濾波器模塊原理

3測試實驗

3.1放大模塊測試

用函數發生器產生1 kHz，峰峰值為10 mV的正弦波信號，由于第1級放大器的輸入端為差分輸入，因此一端為正弦波信號，另一端接地。經過測量，發現第1級放大器的放大倍數為105倍，第2級放大器的放大倍數為11倍，通過分別調整電阻Rg的阻值，使得放大模塊總的放大倍數達到1 000倍。

但是由于考慮到AD623的負載電壓最高為6 V，如果設置電路整體的放大倍數為1 000倍，那么輸入信號的峰峰值最高為6 mV，當大于6 mV時，電路的輸出信號就會出現失真，因此，為了使調理電路具有較大的動態范圍，通過調整第1級放大器的Rg的阻值，將第1級的放大倍數縮小為33倍，此時輸入信號的峰峰值的上限可以提高為18 mV，擴大了調理電路輸入信號的動態范圍。

3.2濾波模塊測試

由于放大電路將電壓幅度值只有幾個毫伏的輸入信號放大了300多倍，因此其輸出到濾波模塊的電壓只有零點幾伏。用函數發生器產生峰峰值為0.2 V的正弦波信號，在100 Hz～5 kHz的頻帶內對濾波電路進行掃頻測試，并用示波器記錄輸出結果。測試結果如表1所示。

表1　濾波模塊頻率測試結果

根據頻率測試結果，構建濾波模塊的頻率響應曲線，如圖10所示。由此可見，在通帶內，濾波器的波形較為平滑，幾乎沒有出現失真的情況，當信號頻率到達截止頻率3 kHz時，輸出信號產生了3 dB的衰減，當頻率>3 kHz時，信號的衰減程度隨著頻率的增加而增加，基本與仿真結果一致。

圖10　濾波模塊的頻率響應曲線

4結束語

MEMS矢量水聽器是水下探測領域中出現的新型設備，但是在接收信號過程中容易受到環境噪聲的影響。因此研究設計了在降低電路本底噪聲的前提下的信號調理電路，通過軟件仿真以及實際測試結果可知，針對100 Hz～3 kHz的微弱信號，調理電路可以將通帶范圍以外的噪聲有效地濾除，并且在抑制輸出信號的共模噪聲的同時使有用信號的幅值增益到合適的大小，便于后續進行信號分析和處理，對于水下探測領域具有一定的借鑒意義。

參考文獻

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胡天宇 男，(1991—)，在讀研究生。主要研究方向：電磁場與微波技術。

紀學軍男，(1966—)，碩士生導師，研究員。主要研究方向：射頻微波。

作者簡介

收稿日期：2015-12-17

中圖分類號TN 911.7

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2016)03-0075-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.21

引用格式：胡天宇,紀學軍.基于矢量水聽器的信號調理電路設計研究[J].無線電工程,2016,46(3):75-78.