王文龍

(海軍潛艇學(xué)院　青島　266071)

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矢量水聽(tīng)器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)*

王文龍

(海軍潛艇學(xué)院青島266071)

摘要以ICP壓電加速度計(jì)和壓電陶瓷圓環(huán)聲強(qiáng)計(jì)為敏感元件的三維同振式矢量水聽(tīng)器需要恒流源激勵(lì)，且輸出信號(hào)微弱，不能直接長(zhǎng)距離傳輸。為解決這個(gè)問(wèn)題，論文研究設(shè)計(jì)了一種矢量水聽(tīng)器信號(hào)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(cè)試電路，并進(jìn)行了性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明該信號(hào)調(diào)理電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)矢量水聽(tīng)器進(jìn)行恒流源激勵(lì)，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等功能，滿(mǎn)足矢量水聽(tīng)器的使用需求。

關(guān)鍵詞矢量水聽(tīng)器; 信號(hào)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(lái)，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(duì)探測(cè)聲納提出了更高的要求。傳統(tǒng)的聲納由聲壓水聽(tīng)器組成，由于受孔徑限制，工作頻段較高，對(duì)低頻信號(hào)探測(cè)能力不足[1]，頻段較低的拖曳陣聲納又存在左右舷模糊問(wèn)題。復(fù)合式矢量水聽(tīng)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(diǎn)地測(cè)量水下聲場(chǎng)中的聲壓標(biāo)量和振速矢量信息[2～3]。矢量水聽(tīng)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(diǎn)，單個(gè)矢量水聽(tīng)器就可實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的空間測(cè)向和多目標(biāo)分辨[4]，在低頻遠(yuǎn)距離目標(biāo)檢測(cè)方面具有優(yōu)勢(shì)[5]。

在矢量水聽(tīng)器領(lǐng)域，以?xún)?nèi)置集成電路(ICP)的壓電加速度計(jì)和壓電陶瓷圓環(huán)聲強(qiáng)計(jì)為敏感元件的同振式矢量水聽(tīng)器發(fā)展迅速，但是矢量水聽(tīng)器的原始輸出信號(hào)微弱，不能直接進(jìn)行長(zhǎng)距離線纜傳輸。為了解決以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種用于三維同振式矢量水聽(tīng)器的前端信號(hào)調(diào)理電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)矢量水聽(tīng)器進(jìn)行激勵(lì)、對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行放大濾波等功能，便于矢量水聽(tīng)器信號(hào)的后續(xù)傳輸和采樣。

2　信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

本文所針對(duì)的同振式矢量水聽(tīng)器內(nèi)部所采用的矢量傳感器為ICP壓電加速度計(jì)，聲壓傳感器為壓電陶瓷圓管聲強(qiáng)計(jì)[6]。ICP壓電加速度計(jì)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(tīng)器的特性，設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路單個(gè)通道的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　信號(hào)調(diào)理電路矢量通道

信號(hào)調(diào)理電路的輸入端接的是三維同振式矢量水聽(tīng)器的輸出端，共有Vx、Vy、Vz和P四個(gè)通道，因此信號(hào)調(diào)理板包含四個(gè)通道的信號(hào)調(diào)理電路。圖1為一個(gè)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(gè)恒流源，因?yàn)槭噶克?tīng)器的三個(gè)振速通道需要恒流源激勵(lì)，而聲壓通道不需要。每個(gè)矢量通道配接ICP壓電加速度傳感器的一個(gè)通道，恒流源通過(guò)Vin向加速度傳感器提供恒流供電；振動(dòng)加速度信號(hào)通過(guò)CR高通隔直后，隔掉直流偏壓，送差動(dòng)放大器放大，再經(jīng)過(guò)二階巴特沃斯低通濾波器濾波后，經(jīng)輸出端輸出，通過(guò)長(zhǎng)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(duì)稱(chēng)度不超過(guò)1%。下面將分別對(duì)信號(hào)調(diào)理電路中幾個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)、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(gè)通道都需要2.5mA左右的恒流源來(lái)激勵(lì)，本文選用LM317L來(lái)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(cè)推薦設(shè)計(jì)來(lái)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(cè)，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(lì)電流為Iout=2.5mA，結(jié)合電阻常見(jiàn)阻值，選取R=510Ω。負(fù)載處接ICP加速度傳感器的一個(gè)通道。輸出信號(hào)處為不斷變化的電壓信號(hào)，即為矢量水聽(tīng)器的輸出信號(hào)。

圖2　恒流源

2.2RC高通濾波器

為了將矢量水聽(tīng)器輸出信號(hào)中的直流分量和低頻分量濾除，需要將矢量水聽(tīng)器輸出信號(hào)在進(jìn)入差動(dòng)放大器前先通過(guò)一階RC高通濾波器[7]，其原理如圖3。由于水聽(tīng)器頻率范圍從10Hz開(kāi)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(jiàn)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(hào)精度，本文選取了典型的儀用放大器來(lái)設(shè)計(jì)差動(dòng)放大電路。放大器件選擇了進(jìn)口的低噪聲低漂移的差動(dòng)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(hào)，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(diǎn)，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(tīng)器頻率范圍最大到5000Hz，因此將信號(hào)放大后經(jīng)過(guò)了一個(gè)低通濾波器，本文選擇電路簡(jiǎn)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(yùn)放LF356N來(lái)實(shí)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(lái)選取C1、C2與R的取值。結(jié)合常見(jiàn)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(cè)試

本文最后完成的信號(hào)調(diào)理電路實(shí)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(lái)對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試。

圖6　信號(hào)調(diào)理電路實(shí)物圖

為了測(cè)試其性能是否符合要求，將信號(hào)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(cè)試。輸入頻率為100Hz，峰峰值Vpp為100mV的正弦信號(hào)，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。圖中1通道為原始信號(hào)，可見(jiàn)其為頻率100Hz、峰值100mV的標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)；2通道為經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的輸出信號(hào)，可見(jiàn)其為頻率100Hz、峰峰值1V的標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)。輸出信號(hào)的波形完整、光滑、沒(méi)有畸變，較輸入信號(hào)放大10倍，且相位一致，符合設(shè)計(jì)要求。

圖7　示波器測(cè)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(gè)的正弦信號(hào)進(jìn)行人工掃頻測(cè)試，實(shí)際測(cè)試的不同頻率點(diǎn)處的頻率特性曲線見(jiàn)圖8。圖中橫軸為頻率，按10倍頻程顯示，縱軸為輸出信號(hào)峰峰值與與輸入信號(hào)峰峰值之比，即信號(hào)增益。由圖可見(jiàn)，信號(hào)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(shí)須先將增益除以10倍。由圖可見(jiàn)在8Hz處其頻響約為-3dB，在高通濾波器過(guò)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(guò)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(cè)試，本信號(hào)調(diào)理電路的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1　信號(hào)調(diào)理電路主要技術(shù)指標(biāo)

4　結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單可靠的矢量水聽(tīng)器前端信號(hào)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(jì)的信號(hào)調(diào)理電路為差動(dòng)輸入，抗共模干擾能力極強(qiáng)。根據(jù)要求，差動(dòng)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(qiáng)。對(duì)實(shí)際電路的測(cè)試表明，該電路在噪聲、增益、通帶等特性方面符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，能夠滿(mǎn)足對(duì)同振式矢量水聽(tīng)器進(jìn)行激勵(lì)和前端信號(hào)調(diào)理的使用需求。

參 考 文 獻(xiàn)

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*收稿日期：2015年10月3日,修回日期：2015年11月17日

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):61203271)資助。

作者簡(jiǎn)介：王文龍,男,碩士研究生,研究方向：水聲換能器信號(hào)獲取與處理。

中圖分類(lèi)號(hào)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