矢量水聽器信號調(diào)理電路設(shè)計*

王文龍

(海軍潛艇學(xué)院　青島　266071)

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矢量水聽器信號調(diào)理電路設(shè)計*

王文龍

(海軍潛艇學(xué)院青島266071)

摘要以ICP壓電加速度計和壓電陶瓷圓環(huán)聲強計為敏感元件的三維同振式矢量水聽器需要恒流源激勵，且輸出信號微弱，不能直接長距離傳輸。為解決這個問題，論文研究設(shè)計了一種矢量水聽器信號調(diào)理電路，主要包括恒流源、一階RC高通濾波器、儀用放大器和二階巴特沃斯低通濾波器。制作了測試電路，并進(jìn)行了性能測試。測試結(jié)果表明該信號調(diào)理電路能夠?qū)崿F(xiàn)對矢量水聽器進(jìn)行恒流源激勵，對原始信號進(jìn)行放大、濾波等功能，滿足矢量水聽器的使用需求。

關(guān)鍵詞矢量水聽器; 信號調(diào)理電路; 恒流源; 儀用放大器; 低通濾波器

Class NumberTB566

1　引言

近年來，由于各種減震降噪技術(shù)的快速發(fā)展，世界先進(jìn)海軍潛艇和艦艇的噪聲不斷下降，頻率上往低頻段發(fā)展，這就對探測聲納提出了更高的要求。傳統(tǒng)的聲納由聲壓水聽器組成，由于受孔徑限制，工作頻段較高，對低頻信號探測能力不足[1]，頻段較低的拖曳陣聲納又存在左右舷模糊問題。復(fù)合式矢量水聽器由聲壓傳感器和矢量傳感器兩部分裝配而成，二者具有相同的等效聲中心，能夠同步、共點地測量水下聲場中的聲壓標(biāo)量和振速矢量信息[2～3]。矢量水聽器具有體積小、靈敏度高、自然余弦指向性、抗各向同性噪聲等優(yōu)點，單個矢量水聽器就可實現(xiàn)對水下目標(biāo)的空間測向和多目標(biāo)分辨[4]，在低頻遠(yuǎn)距離目標(biāo)檢測方面具有優(yōu)勢[5]。

在矢量水聽器領(lǐng)域，以內(nèi)置集成電路(ICP)的壓電加速度計和壓電陶瓷圓環(huán)聲強計為敏感元件的同振式矢量水聽器發(fā)展迅速，但是矢量水聽器的原始輸出信號微弱，不能直接進(jìn)行長距離線纜傳輸。為了解決以上問題，本文設(shè)計了一種用于三維同振式矢量水聽器的前端信號調(diào)理電路，可以實現(xiàn)對矢量水聽器進(jìn)行激勵、對原始信號進(jìn)行放大濾波等功能，便于矢量水聽器信號的后續(xù)傳輸和采樣。

2　信號調(diào)理電路設(shè)計

本文所針對的同振式矢量水聽器內(nèi)部所采用的矢量傳感器為ICP壓電加速度計，聲壓傳感器為壓電陶瓷圓管聲強計[6]。ICP壓電加速度計的靈敏度為2856mV/g，頻率范圍為10Hz～5kHz，諧振頻率為15kHz，偏置電壓為8V～12V。根據(jù)所選水聽器的特性，設(shè)計信號調(diào)理電路單個通道的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　信號調(diào)理電路矢量通道

信號調(diào)理電路的輸入端接的是三維同振式矢量水聽器的輸出端，共有Vx、Vy、Vz和P四個通道，因此信號調(diào)理板包含四個通道的信號調(diào)理電路。圖1為一個矢量通道的電路結(jié)構(gòu)，聲壓通道與矢量通道的區(qū)別在于少了一個恒流源，因為矢量水聽器的三個振速通道需要恒流源激勵，而聲壓通道不需要。每個矢量通道配接ICP壓電加速度傳感器的一個通道，恒流源通過Vin向加速度傳感器提供恒流供電；振動加速度信號通過CR高通隔直后，隔掉直流偏壓，送差動放大器放大，再經(jīng)過二階巴特沃斯低通濾波器濾波后，經(jīng)輸出端輸出，通過長電纜傳輸?shù)讲杉到y(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。要求V+供電為13V～18V，V-為-13V～-18V，V+與V-電壓不對稱度不超過1%。下面將分別對信號調(diào)理電路中幾個功能模塊的設(shè)計、器件選擇等進(jìn)行論述。

2.1恒流源

ICP壓電加速度傳感器的每個通道都需要2.5mA左右的恒流源來激勵，本文選用LM317L來搭建恒流源。LM317L是一種100mA輸出可調(diào)的正電源穩(wěn)壓芯片。根據(jù)其官方數(shù)據(jù)手冊推薦設(shè)計來搭建恒流源電路，如圖2。圖中C為電源濾波電容，選為0.1μF即可；R為電流調(diào)整電阻，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，該恒流源電流為Iout=1.25V/R，而ICP壓電加速度傳感器需要的激勵電流為Iout=2.5mA，結(jié)合電阻常見阻值，選取R=510Ω。負(fù)載處接ICP加速度傳感器的一個通道。輸出信號處為不斷變化的電壓信號，即為矢量水聽器的輸出信號。

圖2　恒流源

2.2RC高通濾波器

為了將矢量水聽器輸出信號中的直流分量和低頻分量濾除，需要將矢量水聽器輸出信號在進(jìn)入差動放大器前先通過一階RC高通濾波器[7]，其原理如圖3。由于水聽器頻率范圍從10Hz開始，所以這里將其截止頻率fc=ω0/2π=1/2πRC設(shè)置靠近10Hz，結(jié)合常見的電容、電阻數(shù)值，最終選擇C=10nF，R=2MΩ，得截止頻率約為8Hz。

圖3　一階RC高通濾波器

2.3儀用放大器

為了減小噪聲，提高信號精度，本文選取了典型的儀用放大器來設(shè)計差動放大電路。放大器件選擇了進(jìn)口的低噪聲低漂移的差動數(shù)據(jù)放大器INA103。儀用放大器是一種精密差分電壓放大器，能有效放大差模信號，具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調(diào)漂移等優(yōu)點，適合于水聲放大電路。儀用放大器電路原理如圖4所示。

圖4　儀用放大器[8～9]

2.4低通濾波器

矢量水聽器頻率范圍最大到5000Hz，因此將信號放大后經(jīng)過了一個低通濾波器，本文選擇電路簡單有效的單位增益二階壓控電壓源低通濾波器，其原理如圖5，選擇了低噪聲、低漂移、高速的單運放LF356N來實現(xiàn)。令Q=0.7071，成為巴特沃斯濾波器。其衰減速度為-40dB/10倍頻。電路中，R在KΩ～MΩ之間取值，而C1=2C2，C2=0.7071/2πfcpR[10]。本系統(tǒng)需要fcp=5000Hz，可據(jù)此來選取C1、C2與R的取值。結(jié)合常見的電容、電阻數(shù)值，最終選擇R=20KΩ，C1=2nF，C2=1nF，得截止頻率約為5627Hz。為了提高通帶截止頻率的穩(wěn)定性，電路里的電容選擇溫度系數(shù)較小的聚碳酸酯薄膜電容。

圖5　單位增益二階壓控電壓源低通濾波器[10]

3　性能測試

本文最后完成的信號調(diào)理電路實物如圖6。根據(jù)需求，最終完成的系統(tǒng)頻率范圍為8Hz～5.6KHz，放大倍數(shù)為10倍。接下來對其進(jìn)行了性能測試。

圖6　信號調(diào)理電路實物圖

為了測試其性能是否符合要求，將信號發(fā)生器接其輸入端，將其輸出端接到示波器，進(jìn)行頻響測試。輸入頻率為100Hz，峰峰值Vpp為100mV的正弦信號，測試結(jié)果如圖7所示。圖中1通道為原始信號，可見其為頻率100Hz、峰值100mV的標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號；2通道為經(jīng)過信號調(diào)理電路的輸出信號，可見其為頻率100Hz、峰峰值1V的標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號。輸出信號的波形完整、光滑、沒有畸變，較輸入信號放大10倍，且相位一致，符合設(shè)計要求。

圖7　示波器測試截屏

圖8　頻率增益特性

輸入峰峰值Vpp為100mV，頻率在0.1Hz～100kHz內(nèi)的多個的正弦信號進(jìn)行人工掃頻測試，實際測試的不同頻率點處的頻率特性曲線見圖8。圖中橫軸為頻率，按10倍頻程顯示，縱軸為輸出信號峰峰值與與輸入信號峰峰值之比，即信號增益。由圖可見，信號在8Hz～5.6kHz通頻帶內(nèi)有很平坦響應(yīng)，放大倍數(shù)為10倍。由于系統(tǒng)中存在儀用放大器，在討論低通和高通濾波器的頻響時須先將增益除以10倍。由圖可見在8Hz處其頻響約為-3dB，在高通濾波器過渡帶衰減約為-20dB/10倍頻，符合一階RC高通濾波器特性。在5.6kHz處其頻響約為-3dB，在低通濾波器過渡帶衰減約為-40dB/10倍頻，符合二階巴特沃思低通濾波器特性。

經(jīng)測試，本信號調(diào)理電路的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1　信號調(diào)理電路主要技術(shù)指標(biāo)

4　結(jié)語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種簡單可靠的矢量水聽器前端信號調(diào)理電路。該電路包括恒流源電路、高通濾波電路、差分放大電路和低通濾波電路等，各部分結(jié)構(gòu)清晰、功能明確。本電路所設(shè)計的信號調(diào)理電路為差動輸入，抗共模干擾能力極強。根據(jù)要求，差動儀用放大器增益可在1～1000倍之間改變，二階巴特沃斯低通濾波器轉(zhuǎn)折頻率也可在10Hz～100kHz之間改變，靈活性強。對實際電路的測試表明，該電路在噪聲、增益、通帶等特性方面符合設(shè)計指標(biāo)，能夠滿足對同振式矢量水聽器進(jìn)行激勵和前端信號調(diào)理的使用需求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 孫芹東.拖曳陣矢量陣元的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013,5.

[2] 陳洪娟.矢量傳感器[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006：8-9.

[3] 孫貴青，李啟虎，楊秀庭,等.新型光纖水聽器和矢量水聽器[J].物理，2006，35(8)：650.

[4] 孟春霞.單矢量水聽器多目標(biāo)方位估計方法研究[D].哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005：10.

[5] 惠俊英，惠娟著.矢量聲信號處理基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[6] 孫芹東，笪良龍，侯文姝,等.一種新型姿態(tài)實時修正矢量水聽器的設(shè)計[J].聲學(xué)技術(shù)，2015，34(2)：304.

[7] 明銘.多路同步水聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012：11.

[8] 李興武.矢量水聽器信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文，2011：23.

[9] 鄭家龍.集成電子技術(shù)基礎(chǔ)教程[M].第二版上冊.北京:高等教育出版社，2008：342.

[10] 黃瑞祥.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2013：285.

*收稿日期：2015年10月3日,修回日期：2015年11月17日

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(編號:61203271)資助。

作者簡介：王文龍,男,碩士研究生,研究方向：水聲換能器信號獲取與處理。

中圖分類號TB566

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.038

Design of Signal Preconditioning Circuit for Vector Hydrophone

WANG Wenlong

(Navy Submarine Academy， Qingdao266071)

AbstractThe three-dimensional vibration vector hydrophone which use ICP piezoelectric accelerometer and piezoelectric ceramic ring sound intensity meter as the sensitive element need constant current source as power source. And its output signal is weak， which can not be transmitted at long range. In order to solve this problem， a kind of signal preconditioning circuit for vector hydrophone is designed in this paper， which contains constant-current source， one order RC high pass filter (HPF)， instrument amplifier and two order Butterworth low pass filter (LPF). Then the test circuit is fabricated and the performance test is carried out. The test results show that the vector hydrophone can be powered and its original signal can be amplified and filtered by this signal preconditioning circuit， which means that this signal preconditioning circuit can meet the demand of working with the vector hydrophone.

Key Wordsvector hydrophone, signal preconditioning circuit, constant-current source, instrument amplifier, LPF