導(dǎo)語(yǔ)：水聲信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：通過(guò)在水聲信號(hào)調(diào)理電路中引入對(duì)數(shù)放大電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)于信號(hào)的壓縮，并且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在AD采樣位數(shù)不變的情況下拓寬了信號(hào)范圍，并根據(jù)水聲信號(hào)處理電路的工作要求設(shè)計(jì)了合適的帶通濾波器，經(jīng)仿真達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)水聲信號(hào)幅度和頻譜的壓縮。

關(guān)鍵詞：對(duì)數(shù)放大器；增益控制；巴特沃斯濾波器

在水聲系統(tǒng)中，對(duì)水聲信號(hào)的增益控制和濾波是水聲信號(hào)前置預(yù)處理過(guò)程的重要內(nèi)容。由于水聲信號(hào)幅度差異巨大，為了使其始終處于采樣ADC的最佳采樣區(qū)間內(nèi)，必須對(duì)電路的增益進(jìn)行控制。當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)，增大電路增益，提高電路靈敏度，當(dāng)輸入信號(hào)較大時(shí)，減小電路增益，防止輸出飽和。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，當(dāng)下的預(yù)處理電路往往要更加復(fù)雜。

1常用的增益控制方法

實(shí)現(xiàn)增益控制的方法有很多，在以往的設(shè)計(jì)中，以下方法應(yīng)用較為廣泛：1.1電阻衰減網(wǎng)絡(luò)。圖1基于模擬開(kāi)關(guān)的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，通過(guò)多個(gè)電阻串聯(lián)分壓的方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的衰減，采用模擬開(kāi)關(guān)（以ADG408為例）實(shí)現(xiàn)衰減回路的選通。當(dāng)需要控制的增益檔數(shù)較多時(shí)，電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值差距將越來(lái)越大，因此這種方法適用于低檔位數(shù)的增益控制。1.2可編程電位器方法。這種方法是使用可編程電位器替代放大電路中的反饋電阻，一般采用多級(jí)級(jí)聯(lián)的方式。由于水聲信號(hào)處理通道數(shù)量大，要求通道增益及相位差異小，對(duì)通道中電阻等元器件精度要求較高，一般高于1%，因此，對(duì)可編程電位器的精度及分辨率有較高要求。1.3集成可調(diào)增益放大器。集成可調(diào)增益放大器通常應(yīng)用于音頻放大領(lǐng)域，分為數(shù)字式的可編程放大器（如PGA2310）和模擬式的電壓控制放大器（如SSM2164），一般最大可實(shí)現(xiàn)100dB左右的控制范圍以及0.5dB的控制精度。以上三種方法在水聲信號(hào)增益控制領(lǐng)域均有應(yīng)用，各有優(yōu)缺點(diǎn)，在以往的設(shè)計(jì)中均有應(yīng)用，但是三種方法均需要通過(guò)指令來(lái)被動(dòng)控制增益，因此需要與數(shù)字電路進(jìn)行交互，不可避免的引入干擾。為了降低控制信號(hào)對(duì)放大電路的影響，也為了獲得更大的增益范圍，同時(shí)不引入更加復(fù)雜的電路，必須采用更有效的增益控制手段。

2對(duì)數(shù)放大電路

利用PN結(jié)伏安特性的指數(shù)規(guī)律，將二極管接入反饋回路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)運(yùn)算，構(gòu)成最簡(jiǎn)單的對(duì)數(shù)放大電路，如圖2所示，其輸入輸出關(guān)系為。（1）通過(guò)仿真，可以得到電路的輸入輸出特性，如圖3所示。當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)，對(duì)數(shù)放大電路的增益較大，而當(dāng)輸入信號(hào)較大時(shí)，增益減小。利用對(duì)數(shù)放大電路可以實(shí)現(xiàn)108的增益范圍，在不采用被動(dòng)控制的情況下，即可壓縮信號(hào)，因此非常適用于水聲信號(hào)調(diào)理。在式（1）中，運(yùn)算關(guān)系與UT和IS有關(guān)，因而電路容易受到溫度影響，為了減小溫度的影響，同時(shí)為了擴(kuò)大輸入電壓的動(dòng)態(tài)范圍，利用特性相同的兩只晶體管進(jìn)行補(bǔ)償，替代反饋回路中的二摘要：通過(guò)在水聲信號(hào)調(diào)理電路中引入對(duì)數(shù)放大電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)于信號(hào)的壓縮，并且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在AD采樣位數(shù)不變的情況下拓寬了信號(hào)范圍，并根據(jù)水聲信號(hào)處理電路的工作要求設(shè)計(jì)了合適的帶通濾波器，經(jīng)仿真達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)水聲信號(hào)幅度和頻譜的壓縮。關(guān)鍵詞：對(duì)數(shù)放大器；增益控制；巴特沃斯濾波器中圖分類號(hào)：TB56文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4390(2018)30-0027-02T1=-lnÁÂOUTSUUUIR-27-極管，可以消去IS的影響，如圖4所示。電路的輸入輸出關(guān)系為（2）由式（2）可知，當(dāng)R5采用具備正溫度系數(shù)的熱敏電阻時(shí)，R5阻值的變化可以抵消UT因溫度變化而引起的變化。通過(guò)對(duì)圖5的仿真，可以看出，輸出信號(hào)的幅度得到了明顯的壓縮，同時(shí)對(duì)于小信號(hào)，電路具備很高的靈敏度。

3濾波電路設(shè)計(jì)

在水聲系統(tǒng)中，要求對(duì)調(diào)理電路的工作帶寬加以限制，以濾除干擾。根據(jù)濾波器的濾波特性，常用的濾波器有巴特沃斯、切比雪夫、反切比雪夫和橢圓濾波器四種形式。在所有全極點(diǎn)濾波器中，巴特沃斯濾波器的通帶特性最為平坦，并且在以上四種濾波器中巴特沃斯濾波器的相位特性比同階數(shù)的其他三種濾波器都好。最終低通及高通濾波器均選擇四階巴特沃斯濾波器，采用壓控壓源（VCVS）電路形式實(shí)現(xiàn)，如圖6及圖7所示。將所設(shè)計(jì)的單通道電路進(jìn)行仿真，得到前置預(yù)處理通道的頻響曲線如圖8所示，工作頻帶為3kHz～50kHz，最大增益在頻點(diǎn)37.25kHz處，約為70.26dB，邊頻點(diǎn)3kHz處的增益約為69.73dB，50kHz的增益約為69.58dB，帶內(nèi)起伏不大于1dB，滿足了設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)論

通過(guò)在調(diào)理電路中引入對(duì)數(shù)放大電路替代增益控制電路，使得輸出信號(hào)的幅度得到顯著壓縮，而對(duì)于小信號(hào)，保證了很高的靈敏度，使得在不進(jìn)行被動(dòng)增益控制的情況下可以處理更寬的輸入信號(hào)，拓寬了相同AD位數(shù)下的采樣范圍；四階帶通濾波器的設(shè)計(jì)保證了電路合適的工作頻帶。綜上，該信號(hào)調(diào)理電路對(duì)水聲信號(hào)的幅度和頻譜進(jìn)行了有效的壓縮，可以滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

作者:張浩 單位:中船重工第七一五研究所