信号调理电路设计研究

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1、信号调理电路设计研究 摘要 矢量水听器可以有效地获取水下的声信号，并将其转化成可以进行处理的电信号，但是此信号十分微弱，并且掺杂着水中复杂的噪声，为了有效实现信号处理，设计了信号调理电路，分为电源模块、放大模块和滤波模块，可以提高输出信号的信噪比。通过对电路进行仿真以及测试实验，验证了设计的有效性。 关键词 矢量水听器；信号调理；信噪比 在世界陆地资源不断匮乏的情况下，人类对覆盖地球表面面积７１％的海洋资源的了解和利用仍不够充分［１］。随着科技的发展，人类的海洋活动越来越频繁，水下探测、目标识别、定

2、位导航及通信等技术也得到越来越多的发展和应用［２］。由于无线电信号在水中传播时的衰减很大，因此，声波成为水下信息传播的主要载体，矢量水听器可以将接收到的声信号转换成电信号，并且其灵敏度高，输出的差分信号具有良好的共模抑制比。但是，由于海洋环境中存在着大量的噪声，它们掺杂在有用信号中，使得传感器输出的微弱信号不易被区分出来，本文便针对这种情况进行信号的调理工作，进行低噪声电路的设计研究，并且将矢量水听器输出的电信号从复杂噪声中提取出来。 １矢量水听器工作原理 根据声学原理可知，如果声场中的接收处距离声源很

3、远时，可以将声波视为平面波。本文所研究的是同振型矢量水听器，其接收设备处于中性浮力状态，从而当携带特定信息的声信号传播到传感器时，接收设备可以将声信号几乎无损耗地传感到由惠斯通电桥结构（如图１所示）组成的敏感梁上，硅梁形变产生应力变化，导致布置在芯片梁上的压敏电阻阻值发生变化，引起电压变化，通过梁上的惠斯通电桥，将振动信号转化为电压信号输出，从而实现对水下声信号方位、距离的测量。矢量水听器芯片上构成惠斯通电桥结构的压敏电阻分布图如图２所示，图２中Ｒ１～Ｒ８即为压敏电阻的布放位置，已经封装后的矢量水听器芯片如

4、图３所示。 ２信号调理电路设计及仿真 在任何信号检测过程中，检测过程中的噪声都是不可避免的［４］。矢量水听器接收到的信号是十分微弱的，并且掺杂着海洋环境噪声和水下目标的自噪声，因此对信号处理电路的要求就很高，不仅需要具有良好的本底噪声，还需要能将微弱信号从噪声中提取出来。本文设计的调理电路主要分为３个模块：电源模块、放大模块和滤波模块。 ２．１电源模块由于惠斯通电桥的输出噪声与电源模块的纹波噪声密切相关，因此选用ＲＥＦ５０５０电源稳压芯片进行电压调理，它可以将输入电压调理成为５Ｖ的输出电压，输出电压不

5、仅能够作为惠斯通电桥的激励源，而且可以作为调理电路放大模块和滤波模块的供电电源。ＲＥＦ５０５０是ＴＩ公司的一款低噪声、低漂移及高精度稳压电源芯片。噪声低至３μＶｐｐ／Ｖ，温度漂移最大不超过８ｐｐｍ／℃，纹波最大不超过０．１％［５］。其中Ｃ１为旁路电容，可以把外界输出电压中的高频杂波噪声率除掉，加以去耦电容Ｃ２的引入，可以有效避免整个电网抖动的反馈耦合，能极大地减小外部电源引入的电网噪声，有效地降低水听器的本底噪声。由ＲＥＦ５０５０构成的稳压电源模块原理图如图４所示。 ２．２放大模块由矢量水听器接收到的信号

6、是十分微弱的，最大信号峰峰值仅达到十几个毫伏量级，此时共模噪声干扰是引起测量误差的主要因素，要有效地提取信号，关键是把有用信号进行放大，抑制引入的共模干扰噪声，这就要求运算放大器的噪声系数很低。低噪声前置放大电路是微弱信号检测的第１级，所以前置放大器应该选择高精度、低噪声、高输入阻抗、低输出阻抗并且具有良好的线性增益的放大器。在通过对放大器本身的噪声特性进行研究后，选择了ＡＤＩ公司的ＡＤ６２３运算放大器，其结构图如图５所示。ＡＤ６２３内部是由３个运算放大器组合而成的，具有良好的交流共模干扰抑制能力。通过Ａ１

7、和Ａ２提供良好的跟随性能，而有效地抑制共模干扰，降低信号源阻抗引入的影响，保持最小的误差［６］。ＡＤ６２３能够确保高增益精密放大器所需的低失调电压漂移和低噪声、低功耗等指标，并且其放大倍数调节方式十分简便，只需在引脚１和引脚８之间连接一个电阻Ｒｇ即可设定增益，增益范围１～１０００可调。由ＡＤ６２３组成的放大模块原理如图６所示，只需改变Ｒ３的阻值即可以调整放大器的放大倍数。另外，在靠近运放２极电源引脚处加旁路电容去耦，以消除震荡与噪声的影响，去耦电容选用０．１μＦ的瓷片电容和１０μＦ的钽电解电容［７］。为了滤

8、除信号中的高频噪声，在第１级放大器的输入端放置一组ＲＣ无源低通滤波器，选取Ｒ为６８０Ω，Ｃ为０．０１μＦ，则低通滤波器的截止频率。设置第１级放大器的Ｒｇ为１．０２ｋΩ，即第１级放大倍数为１００倍，设置第２级放大器的Ｒｇ为１１ｋΩ，即放大倍数为１０倍，这样信号总的放大倍数即为１０００倍。ＡＤ６２３采用差分输入，接线方式为屏蔽电缆双绞线，以降低噪声影响［８］。 ２．３滤波模块模拟滤波器在数据采集系统中的地位举足轻重