水聲信號功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊成偉，苗康樂，劉純貴

（海軍航空工程學(xué)院 山東 煙臺(tái) 264001）

在現(xiàn)代主動(dòng)聲納系統(tǒng)中，往往需要針對不同背景噪音以及不同的要求，適時(shí)地選擇信號波形，工作頻率，信號時(shí)間寬度，帶寬等。例如，常用的信號有單頻矩形脈沖（CW），線性調(diào)頻脈沖信號（LFM），雙曲線調(diào)頻信號等。不同的信號具有不同的特性。對于相同的多普勒分辨率，LFM脈沖的試驗(yàn)分辨能力要高于CW脈沖，而對于相同的時(shí)延分辨力，LFM則要高于CW脈沖。當(dāng)目標(biāo)多普勒頻移較小時(shí)，相對于長CW脈沖而言，LFM脈沖具有較小的模糊面積，受到少一些的混響影響，而當(dāng)目標(biāo)多普勒增大時(shí)，長CW脈沖比LFM脈沖信號抗混響效果要好[1]。

本文所提到的水聲信號發(fā)生系統(tǒng)采用多功能的數(shù)據(jù)采集接口板作為信號源，可以通過編寫程序方便產(chǎn)生所需的信號。其所產(chǎn)生的信號穩(wěn)定，精度高，并且修改容易，通用性強(qiáng)。但由于要直接產(chǎn)生滿足要求的正弦信號具有很大難度，所以產(chǎn)生的都是矩形信號，而且信號的幅度、功率均很小。為解決這一問題，這里提出了功率放大電路，將數(shù)據(jù)采集接口板產(chǎn)生的矩形信號轉(zhuǎn)換為正弦信號，并進(jìn)行幅度和功率放大，以滿足換能器對信號的要求。

1 總體設(shè)計(jì)

對于一周期矩形信號：

將其展開為傅氏級數(shù)：

再對其進(jìn)行傅氏變換，結(jié)果可以寫成：

由式（3）可以得出以下結(jié)論：周期信號的傅氏變換在各諧波頻率處是一個(gè)無限長的等間距的沖擊序列。周期函數(shù)具有離散的傅氏變換頻譜。如能設(shè)計(jì)一電路將矩形周期信號的基頻諧波分量分離出來，便達(dá)到了將矩形周期信號轉(zhuǎn)換為正弦信號的目的。圖1為系統(tǒng)總體框圖。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall block diagram of system

由于上級電路產(chǎn)生的矩形信號幅度很小，所以先通過前置放大模塊進(jìn)行初步幅度放大和濾波。前置放大模塊的放大增益可控。PC機(jī)通過RS232接口與單片機(jī)通信，單片機(jī)接收到PC機(jī)發(fā)出的信息后，再通過調(diào)整電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)整增益。這樣整個(gè)系統(tǒng)最終的輸出信號幅度便可以通過PC機(jī)控制。矩形信號經(jīng)過巴特沃思濾波器濾波后轉(zhuǎn)換為正弦信號，再經(jīng)過放大濾波，便可傳給大功率運(yùn)放轉(zhuǎn)換為大功率信號。最后通過變壓器驅(qū)動(dòng)換能器以產(chǎn)生聲信號。

2 電路設(shè)計(jì)

該電路按如前所述的功能，可以將其劃分為串口通信模塊、前置放大模塊、巴特沃思低通濾波模塊以及大功率運(yùn)放模塊。

2.1 串口通信模塊

系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)RS232接口與PC機(jī)進(jìn)行通信。該串口通信模塊的核心是單片機(jī)AT89C52，其帶有一個(gè)UART（通用異步收發(fā)器）。用UART實(shí)現(xiàn)串口通信非常容易，其收發(fā)協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)RS232接口是一致的，只是在電氣特性上有差異：UART采用的是CMOS電平，而RS232接口則采用RS232電平[2]。因此該電路采用了MAX202電平轉(zhuǎn)換器來轉(zhuǎn)換電平。其電路圖如圖2所示。

圖2 串口通信模塊電路圖Fig.2 Schematic circuit of serial port communication module

該串口通信模塊除了MAX202外，單片機(jī)還外接復(fù)位芯片X25045。當(dāng)超過設(shè)定時(shí)間沒有得到單片機(jī)輸出的復(fù)位信號，X25045將通過復(fù)位口對單片機(jī)復(fù)位，以提高單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾性能。在編寫單片機(jī)程序時(shí)要特別注意對X25045的復(fù)位。另外，單片機(jī)通過并口控制3個(gè)模擬開關(guān)芯片4066，共12條線路的通斷。當(dāng)單片機(jī)收到來自PC機(jī)的信息后，選通不同的通路，等于將不同的電阻連接到運(yùn)放輸入端與輸出端之間，便達(dá)到調(diào)整前置放大模塊增益的目的。

根據(jù)單片機(jī)多機(jī)通信特點(diǎn)，PC機(jī)如果要與指定的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信，必須滿足下列條件：PC機(jī)串口信息幀格式應(yīng)同單片機(jī)一致，包括1位起始位、1位停止位、8位數(shù)據(jù)位1個(gè)第9位，本系統(tǒng)選定波特率為9600 b/s。單片機(jī)[3]所需程序的流程圖如圖3所示。單片機(jī)的主要工作就是響應(yīng)串口中斷，當(dāng)有信號由串口傳來，單片機(jī)接收并識(shí)別內(nèi)容，然后按照內(nèi)容將事先安排好的控制位拉高，達(dá)到選通某一路模擬開關(guān)的作用。

圖3 主程序與中斷響應(yīng)程序流程圖Fig.3 Flow chart of main program and interrupt respone

2.2 前置放大模塊

由于該部分電路只是對信號進(jìn)行預(yù)處理，采用由運(yùn)放、電阻和電容組成的放大電路，如圖4所示。

圖4 帶通濾波器Fig.4 Bandpass filter

圖4中運(yùn)放、電阻和電容構(gòu)成帶通濾波器，通帶為f1〈f〈f2（f1=1/2πR1C1， f2=1/2πR2C2）。 在通帶內(nèi)， 放大器的增益約等于-R2/R1。信號由反向端輸入，按照設(shè)定的增益進(jìn)行放大，同時(shí)濾除其低頻和高頻部分的噪聲信號。

在實(shí)際電路中就是通過調(diào)節(jié)R2的值達(dá)到調(diào)整放大增益的目的，圖5為前置入大器電路。實(shí)際電路中，運(yùn)放的輸出端并聯(lián)了12個(gè)不同阻值的電阻。同時(shí)，電阻另一端分別與模擬開關(guān)的12個(gè)輸入端相連，而所有模擬開關(guān)的12個(gè)輸出端都與運(yùn)放反向輸入端相連。

圖5 前置放大器電路Fig.5 Pre-amplifier circuit

2.3 巴特沃思低通濾波器

巴特沃思又稱為最平的濾波器，其具有帶通內(nèi)極大平坦，過渡帶與阻帶單調(diào)性良好等特點(diǎn)。隨著階數(shù)的增加其特性更接近理想等優(yōu)點(diǎn)，因此成為信號處理中應(yīng)用最廣泛的幾種濾波器[4]之一。為了使輸出的正弦信號不出現(xiàn)失真，同時(shí)保留原有信號的幅度信息，因此需要濾波器帶通內(nèi)增益平坦無波動(dòng)，所以采用巴特沃思濾波器。這里通過集成濾波器MF6實(shí)現(xiàn)6階巴特沃思低通濾波器。

MF6[5]是6階巴特沃思低通濾波器，其工作頻率范圍是0.1～10 kHz。由于采用了交換電容技術(shù)，MF6工作時(shí)所需的外設(shè)很簡單，MF6的截?cái)囝l率fs是通過一個(gè)外界輸入的參考頻率fi進(jìn)行調(diào)節(jié)。fi是頻率為fs的1/100或1/50符合 TTL或CMOS電平的時(shí)鐘信號。參考信號的電平類型可通過控制位進(jìn)行控制。當(dāng)參考頻率為125 kHz時(shí)，實(shí)測截?cái)囝l率為1.25 kHz。其通帶內(nèi)平坦，帶外衰減線性程度好，滿足要求。

當(dāng)前一級的數(shù)據(jù)采集接口板產(chǎn)生信號時(shí)，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)原信號頻率適當(dāng)倍數(shù)的參考信號。在該電路中，MF6的截?cái)囝l率設(shè)在信號的一次諧波頻率與二次諧波頻率之間。由于周期信號具有離散頻譜，一次諧波頻率位于通帶內(nèi)，其他諧波則被衰減。因此通過其濾波后，矩形信號便轉(zhuǎn)化為同頻率的正弦波。

2.4 大功率運(yùn)放

大功率運(yùn)放電路是以集成大功率運(yùn)算放大器LM12為核心，輔以外圍電路構(gòu)成，電路圖如圖6所示。

信號經(jīng)過巴特沃思濾波器濾波后轉(zhuǎn)化為具有正弦形式的信號，再經(jīng)過兩級由LF353運(yùn)放組成的帶通濾波器，進(jìn)一步濾除低頻與高頻部分噪聲。LM12CLK是一種大功率運(yùn)算放大器，在外接4 Ω負(fù)載時(shí)，最大輸出功率可達(dá)80 W。并且外圍電路簡單，運(yùn)用方便。信號經(jīng)過濾波電容以及兩個(gè)電阻進(jìn)行分壓和阻抗匹配后進(jìn)入正相輸入端。反饋電阻并聯(lián)電容，使其具有低通濾波，濾除高頻分量的作用。同時(shí)在輸出端與電源之間連接輸出夾斷二極管，如圖6所示。若LM12CLK外接電感式負(fù)載，當(dāng)輸出達(dá)到電源電壓限制時(shí)，電感中儲(chǔ)存的能量可能使輸出電壓超過電源電壓。因此為了防止電流倒流，二極管是非常必要的。該電路的放大增益由反相輸入端的兩個(gè)電阻的比值決定。該部分電路通過Tektronix 2022示波器實(shí)測波形[6-7]，結(jié)果如圖7所示。

圖6 功率放大電路原理圖Fig.6 Power amplifier circuit

圖7 示波器實(shí)測波形Fig.7 Waveform by Tektronix oscilloscope

圖7（a）是小信號工作時(shí)實(shí)測波形，2通道低幅度信號（50 mV/格）為輸入信號， 1 通道高幅度信號（50 mV/格）為輸出。從圖中可以看出，該電路能將小信號不失真地放大。圖7（b）是大信號工作時(shí)實(shí)測波形，2通道（1 V/格）表示輸入信號，1通道（5 V/格）為輸出信號，由圖可見，當(dāng)輸入信號不斷增加，輸出信號的幅度超過電源幅度時(shí)，由于二極管的穩(wěn)壓作用，輸出信號被限幅，不能超過12 V，以防止電流倒流。

3 結(jié) 論

根據(jù)以上原理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了各個(gè)具體的電路，經(jīng)過硬件調(diào)試，并編制相應(yīng)的控制軟件，成功實(shí)現(xiàn)程控增益調(diào)節(jié)，硬件電路工作正常穩(wěn)定。經(jīng)反復(fù)調(diào)整元件參數(shù)，當(dāng)輸入為0.1～10 kHz的矩形信號時(shí)，輸出為同頻率的正弦信號。輸出信號穩(wěn)定，除小于0.5 kHz的低頻段外無明顯失真，信號最大增益大于54 dB，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。事實(shí)證明該巴特沃思濾波器幅頻特性通帶內(nèi)平滑，衰減帶內(nèi)單調(diào)性良好，只要截?cái)囝l率設(shè)置合理，完全可以濾出信號的基頻分量，將矩形信號轉(zhuǎn)換為正弦信號。以前的信號產(chǎn)生方式是通過RC電路直接得到正弦波，但信號頻率隨溫度和時(shí)間的漂移較大，由于通過晶體振蕩器可以得到頻率穩(wěn)定度很高的矩形信號，這種由矩形波得到正弦波的方式極大地改善了信號源的性能。同時(shí)，通過單片機(jī)的定時(shí)器可以很方便地得到一個(gè)指定頻率的矩形信號，如果對頻率的分辨率要求不是特別高，可以很方便地由單片機(jī)和濾波器構(gòu)成信號發(fā)生電路，簡化電路設(shè)計(jì)和成本。

[1] 田坦，劉國枝，孫大軍.聲納技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2004.

[2] 龍占超，湯志華.智能語音人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2006，34（12）：143-146.LONG Zhan-chao，TANG Zhi-hua.Design and implementation of audio-intelligent man-machine interface module[J].Computer and Digital Engineering，2006，34（12）：143-146.

[3] 余建軍，楊家軍.PC機(jī)與單片機(jī)多機(jī)通訊方法在工程中的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2005（12）：138-139.YU Jian-jun，YANG Jia-jun.The application of multidrop communication method between PC and MCU in engineering[J].Machine Tool&Hydraulics，2005（12）：138-139.

[4] 劉艷芳，高國偉.胎心音檢測系統(tǒng)中濾波電路的設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（12）：46-47.LIU Yan-fang，GAO Guo-wei.Dsign of filter circuit in the system of detecting fetal heart sound[J].Transducer and Microsystem Technologies，2006，25（12）：46-47.

[5] National Semiconductor.MF6 Datasheet[EB/OL].[1994-12].http：//www.national.com/ds/MF/MF6.pdf.

[6] Atmel公司.AT89C52/AT89S52 Datasheet.[EB/OL].[1999-06].http：//www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc1919.pdf.

[7] 李鐘慎.高階Butterworth低通濾波電路的快速設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2007（4）:27-29，35.LI Zhong-shen.A quick design method provided for the high order Butterworth low pass electrical filter[J].Industrial Instrumentation&Automation，2007（4）:27-29，35.