一種模擬信號預處理機的設計與實現(xiàn)＊

（1.海軍工程大學圖書館 武漢 430033）（2.95890部隊政治處 武漢 430033）

1 引言

模擬信號預處理是聲納系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。接收換能器基陣把聲回波信號轉換成電信號，由于回波經過傳輸信道的衰減，又加上海洋環(huán)境復雜，背景噪聲干擾，所以回波信號很弱，而噪聲很強。為能順利地把回波信號轉換成數(shù)字信號，進行數(shù)字信號處理，就要把接收到的微弱回波信號進行預處理，把回波信號變?yōu)槟軌蝽樌M行模數(shù)轉換的穩(wěn)定信號，并濾除噪聲，保留有用信號［1］。

在綜合考慮聲納全系統(tǒng)設計的基礎上，對模擬預處理機系統(tǒng)的信號放大部分、濾波器系統(tǒng)及電源抗干擾系統(tǒng)展開了研究，并給出了設計方案。

2 放大系統(tǒng)設計

由于回波信號很弱，模擬信號預處理的放大倍數(shù)是越大越好，這樣的話，探測聲納系統(tǒng)就可以實現(xiàn)更遠的作用距離。但是由于電子元器件的指標和環(huán)境噪聲等原因，模擬信號預處理是不可能做到無限大的。由于放大倍數(shù)過大，回波信號微弱，所以很容易被外界噪聲或電磁波所干擾，抗干擾是技術難點之一［2～3］。

2.1 放大系統(tǒng)的實現(xiàn)原理

模擬預處理機設計上要能夠對微弱模擬信號進行處理，其輸入的信號最小電平為1.5μV，因此系統(tǒng)要求有很大的放大倍數(shù)，其總放大量要達到106倍［4］。顯然，這樣大的放大倍數(shù)是不可能只用一級放大能夠實現(xiàn)的，在系統(tǒng)的設計上是采取三級放大來實現(xiàn)，濾波電路部分也完成一定的放大量。放大系統(tǒng)的設計如圖1所示：

圖1 模擬預處理機放大系統(tǒng)設計框圖

電路第一級放大的位置是在整個模擬機最前端，這是因為對于微弱信號，不可能直接對它進行其它的分析處理。就采樣來講，一般的電壓要求為1V～5V，濾波也一般要求至少幾十毫伏的電壓，否則在信噪比非常低的情況下系統(tǒng)無法工作。第三級放大輸出信號要送后級數(shù)字機采樣，而采樣信號電壓要求很高，因此第三級放大位置是在射極跟隨之前濾波之后。第二級放大的位置是在濾波處理之前，增益控制之后，因為模擬信號進行濾波處理的電壓要求不如采樣電壓要求的高，但是太微弱的信號不能直接進行濾波處理，所以在把信號進行第二次放大輸出后，剛好滿足濾波電路所要求的信號大小要求。

2.2 放大系統(tǒng)實現(xiàn)方案

輸入信號是通過一個電容在運放的正相輸入，在輸入信號和地之間接了一個電阻R1，其大小為2kΩ，其目的是降低第一級的輸入阻抗。因為對于接收微弱信號的放大器，很容易受到電場耦合的干擾，而有效地抑制耦合干擾的一個方法是降低接收電路的的輸入阻抗。本系統(tǒng)接收信號的最小值約為1.5μV，所以必須在和前級阻抗相匹配的基礎上，盡量地降低輸入阻抗的大?。?］。

圖2 放大單元電路圖

放大器OP37的放大倍數(shù)由電阻R2，R3和電位計Rw決定，R2的值為2kΩ，R3，Rw分別為300kΩ 和10kΩ，這樣可以得到第一級的放大倍數(shù)為

3 濾波器系統(tǒng)設計

3.1 濾波器系統(tǒng)的器件選擇及技術參數(shù)

濾波系統(tǒng)選定的器件是AMI公司生產的可編程開關電容濾波器53528（低通）和53529（高通）。這兩種器件的主要特點是［6］：

1）高通（S3529）或低通（S3528）的截止頻率由6 位外部控制碼來控制；

2）最大高通或低通的截止頻率可以由外部時鐘頻率來決定；

3）該濾波器為集成的7階橢圓濾波器；

4）通頻帶紋波≤0.1dB；

5）帶外衰減≥51dB（f＝1.3fc）；

器件的主要技術參數(shù)如下［7］：

1）供電電壓為±5V～±7.5V；

2）輸入電阻（管腳1-4，8，12，13，16-18）≥8MΩ；

3）輸入電容（管腳1-4，8，12，13，16-18）≤15pF；

4）功率：供電電壓10V 的情況下，功率典型值為60mW，最大值為110mW；

5）濾波器的外部晶振典型運用頻率為3.58MHz，當使用這個時鐘頻率下濾波器的最大截止頻率為20KHz。

3.2 濾波器系統(tǒng)的工程實現(xiàn)方法

濾波電路是整個模擬預處理機的核心部分，在這一級將提高輸入信號的信噪比。濾波的好壞將直接影響模擬機乃至整個大系統(tǒng)的工作。濾波器設計要求是：設計一個200Hz～30kHz頻率段范圍內起始和截止頻率可編程、過渡帶衰減快、帶內濾波平坦的通用型濾波器。

圖3 濾波器系統(tǒng)的電路圖

1）從圖中可知，這是一個典型的帶通濾波器，輸入信號首先通過S3529進行七階高通濾波，然后再通過一個七階低通濾波器S3528濾波。帶通濾波器的低頻截止頻率為高通濾波器的截止頻率，高頻截止頻率為低通濾波器的截止頻率［8］。

2）濾波器輸入信號約為30mV，因此對電源沒有太大要求，可以直接由±5V 電源系統(tǒng)供電。但是要注意S3529和S3528雖然是±5V 電源供電，但是接地卻是模擬信號接地。

3）控制53529截止頻率的是由晶振G1和A0～A5決定。G1的作用是決定高通濾波器的最高截止頻率，并相應改變其中每個碼值的頻率控制點，具體實現(xiàn)上選取的晶振頻率為3.58MHz，A0～A5是具體改變?yōu)V波器截止頻率的控制碼，在晶振大小選定之后，只有通過改變A0～A5的大小來改變高通濾波器的截止頻率［9］。

4）53528和53529 的選通控制CE 始終是接到低電平上的，因此當截止頻率控制信號A0～A5和B0～B5發(fā)生改變時，濾波器的輸出截止頻率立即就跟著改變。

5）由于S3528和S3529內部集成了運放，當改變外接電阻的阻值時，濾波器能具有一定的放大功能，S3529輸入端反饋電阻是輸入電阻的兩倍，所以S3529有兩倍的放大量。

4 電源系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)實現(xiàn)原理

在各類電子系統(tǒng)中，電源的穩(wěn)定性及其性能對系統(tǒng)有著重大的影響。如果供電電源本身就有很大的交流干擾或者有很大的紋波系數(shù)，將給系統(tǒng)引入許多噪聲干擾。特別是小信號的模擬系統(tǒng)中，電源系統(tǒng)的好壞是決定系統(tǒng)性能的一個決定性因素。

圖4 電源系統(tǒng)設計框圖

對于一般的系統(tǒng)設計，應該盡量避免多套系統(tǒng)的供電，對于本系統(tǒng)，不可避免的存在數(shù)字電路和模擬電路，所以必然有兩套電源［10］。如圖4所示，系統(tǒng)的供電電源是通用的直流穩(wěn)壓電源，調節(jié)穩(wěn)壓電源的輸出到±15V 的電壓，輸出的±15V 電壓首先經過第一次穩(wěn)壓，將其輸出±15V 電壓穩(wěn)到±9V，輸出的±9V 電壓是給模擬系統(tǒng)提供的電源（主要是給運放供電），在這里的地線相應地為模擬地（AGND）；±9V 的電壓不能給數(shù)字系統(tǒng)供電，因此還要對它再一次的穩(wěn)壓，即第二次穩(wěn)壓，其輸出的電壓大小為±5V，用來給數(shù)字器件供電，在此處的地相應為數(shù)字地（DGND）。

4.2 電源系統(tǒng)的工程實現(xiàn)

電源部分的電路原理圖如圖5所示。

圖5 電源部分的穩(wěn)壓電路圖

電路說明：

1）±15V 輸入是直流穩(wěn)壓電源的輸出，此處的地線是電源的地線。

2）經過7809和7909之后，電壓由原來的±15V 穩(wěn)到了±9V，±9V 的輸出是給模擬電路供電（在電路的其他部分還要進行多次的電源濾波）［13］。

3）經過7805和7905之后，電壓又由原來的±9V 穩(wěn)到了±5V，這個電壓的輸出直接為數(shù)字電路供電。

4）在布線上，模擬地和數(shù)字地經過二次穩(wěn)壓之后在一點接地面。

5 結語

模擬預處理機處理的對象是動態(tài)范圍很大、頻帶很寬的模擬信號，其主要任務是對模擬信號進行放大、動態(tài)壓縮、濾波等處理。本文中運用了大量的抗干擾技術和手段來消除干擾和抑制噪聲，并總結了一系列在模擬信號處理過程中用于排除干擾和抑制噪聲的關鍵技術，同時實現(xiàn)對寬帶微弱信號的高增益放大（＞106）。對于微弱信號而言，在高放大量的情況下，保持系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，其實現(xiàn)的難度較高，因此在設計和工藝上解決了許多關鍵問題。本文還提供了一種在200Hz～30kHz頻帶內實時可編程帶通濾波器的設計方法，濾波器可以在數(shù)字信號的控制下方便地改變其起始和截止頻率。

從參數(shù)測試來看，系統(tǒng)的大部分測量參數(shù)都達到了預期設計的要求，其主要特點是增益高，動態(tài)范圍大，濾波可編程，自噪聲低，通道一致性能較好，系統(tǒng)性能比較穩(wěn)定等。但是在某些地方還需要提高和改進，例如在低頻段（500Hz以下）工作時系統(tǒng)效果并不是很理想，在濾波器通頻帶很寬的時，通帶內幅度一致性并效果不佳，系統(tǒng)設計體積較大等等。

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