唐　彪　李耀波　孫琎燁

(92956部隊(duì)　大連　116041)

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聲納前放模塊相位一致性檢測電路設(shè)計(jì)*

唐彪李耀波孫琎燁

(92956部隊(duì)大連116041)

摘要相位一致性是聲納前置放大模塊最重要的性能指標(biāo)之一，其正常與否對聲納裝備整體性能至關(guān)重要。傳統(tǒng)的測量手段需要利用常規(guī)電子儀器，操作復(fù)雜，效率低下。為了提高相位一致性檢測效率，利用現(xiàn)代電子測量技術(shù)設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)檢測電路。實(shí)際應(yīng)用證明，設(shè)計(jì)的電路能夠快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)前置放大模塊的相位一致性檢測，測量精度能夠滿足模塊參數(shù)測量的要求。

關(guān)鍵詞相位一致性; 前置放大模塊; 聲納; 電子測量

Class NumberTH89

1　引言

相位一致性是聲納前置放大模塊最重要的性能指標(biāo)之一，采用傳統(tǒng)的測量手段對其進(jìn)行檢測需要利用常規(guī)電子儀器，操作復(fù)雜，效率低下，難以應(yīng)對大規(guī)模前放模塊的檢測。本文利用現(xiàn)代電子測量技術(shù)設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)檢測電路。實(shí)際應(yīng)用證明，設(shè)計(jì)的電路能夠快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)前置放大模塊的相位一致性檢測，測量精度滿足模塊參數(shù)測量的要求。

2　系統(tǒng)要求及設(shè)計(jì)

根據(jù)對聲納前置放大模塊統(tǒng)計(jì)分析，其工作頻率一般≤10kHz。在工作頻率范圍內(nèi)，各通道相位不一致性指標(biāo)范圍在1.5°～6°。為實(shí)現(xiàn)對相位一致性的自動(dòng)測量，主控模塊控制程控掃頻信號源，配合相位測量模塊完成整個(gè)系統(tǒng)的測量過程。利用鍵盤進(jìn)行整個(gè)測量過程的控制，測量結(jié)果通過液晶顯示，實(shí)現(xiàn)了友好的的人機(jī)交互；通過I2C總線對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，在需要查看時(shí)可隨時(shí)通過讀取存儲器調(diào)用查看；此外，主控模塊利用USB串行總線將測量結(jié)果上傳到計(jì)算機(jī)，方便測量數(shù)據(jù)的據(jù)分析、處理。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)以MCU為主控模塊，包含信號產(chǎn)生模塊、信號調(diào)理模塊、相位測量模塊、存儲模塊和人機(jī)接口模塊等，整個(gè)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1　自動(dòng)檢測系統(tǒng)原理框圖

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1主控模塊設(shè)計(jì)

兼顧系統(tǒng)要求和經(jīng)濟(jì)成本，選用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片。該芯片指令代碼與傳統(tǒng)8051兼容，片內(nèi)集成1280字節(jié)RAM，60K程序存儲空間，具備單時(shí)鐘/機(jī)器周期工作模式，具有4個(gè)16位定時(shí)器，7路IO中斷口，2個(gè)UART，8路高速10位A/D模塊，同時(shí)集成看門狗、專用復(fù)位電路及外部掉電檢測電路等功能[1～2]。該芯片的16位定時(shí)器可以滿足系統(tǒng)計(jì)時(shí)功能的要求。選用STC12C5A60S2作為主控模塊，開發(fā)過程中能夠容易進(jìn)行程序修改，具有價(jià)格便宜、開發(fā)周期短的優(yōu)點(diǎn)，且可以滿足運(yùn)算量、精度及實(shí)時(shí)性要求。

3.2信號產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)

信號產(chǎn)生的方法主要有反饋型LC振蕩器、集成振蕩器[3]、直接頻率合成[4～5]、鎖相頻率合成[6]、直接數(shù)字頻率合成(DDS)等。為了使得產(chǎn)生波形的穩(wěn)定、電路簡單且程控調(diào)節(jié)方便，系統(tǒng)采用DDS集成芯片AD9850[7]，利用MCU通過程序控制產(chǎn)生所需頻率的正弦信號。AD9850是AD公司生產(chǎn)的DDS芯片，可產(chǎn)生一個(gè)頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出。其接口控制簡單，可以用8位并行口或串行口直接輸入頻率、相位等控制數(shù)據(jù)。32位頻率控制字，在125MHz時(shí)鐘下，輸出頻率分辨率為0.029Hz，頻率范圍為0.1Hz～40MHz，幅值范圍為0.2V～1V。系統(tǒng)采用MCU串行口控制的方式，產(chǎn)生頻率范圍為0.1Hz～40kHz的正弦信號，輸出幅值1V，頻率步進(jìn)10Hz。

3.3信號調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

由于測量網(wǎng)絡(luò)對輸入信號要求不同，信號源產(chǎn)生的正弦信號需要經(jīng)過調(diào)理才能送入測量網(wǎng)絡(luò)。信號調(diào)理模塊共有3個(gè)，信號調(diào)理1、信號調(diào)理2根據(jù)信號的幅度需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠡蛩p以適應(yīng)相位測量電路對輸入信號的要求。信號調(diào)理3作用是將信號進(jìn)行一定的放大，以適應(yīng)相位測量電路對輸入信號的要求，由高速、低溫漂運(yùn)算放大器OP07構(gòu)成放大電路，實(shí)現(xiàn)對信號的低噪放大。

信號調(diào)理1為程控衰減電路，采用DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，其設(shè)計(jì)電路原理如圖2所示。D/A轉(zhuǎn)換器利用R-2R梯形解碼網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的變換，在實(shí)際的應(yīng)用中將需要衰減的量加到參考電壓端(VREF)，電流輸出端(IOUT1和IOUT2)接入運(yùn)放實(shí)現(xiàn)電流一電壓的轉(zhuǎn)換，反饋電阻(Rfb)直接與運(yùn)放的輸出相連，由此即可得到輸出電壓VOUT與輸入的參考壓VREF的關(guān)系[8～9]：

(1)

式中，D即是由單片機(jī)送出的數(shù)字量，通過軟件改變D的值就可實(shí)現(xiàn)程控衰減。當(dāng)8位數(shù)字量全為1時(shí)，輸出電壓最大，近似等于參考電壓；當(dāng)8位數(shù)字量全為0時(shí)，輸出電壓為0。由該方法構(gòu)成的程控衰減器電路結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，性價(jià)比高。

圖2　信號調(diào)理1設(shè)計(jì)電路

信號調(diào)理2為電路數(shù)字控制自動(dòng)增益電路，對被測前放模塊輸出進(jìn)行放大或衰減，以匹配后續(xù)測量電路。電路中采用ADI公司生產(chǎn)的AD603作為數(shù)控增益放大器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)信號調(diào)理。MCU控制DAC0832產(chǎn)生增益控制電壓控制AD603增益，AD603輸出經(jīng)峰值檢測電路后送到A/D模塊，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入MCU，從而實(shí)現(xiàn)信號的數(shù)控自動(dòng)增益控制。MCU根據(jù)測量的信號大小和增益比，經(jīng)過信號處理就可以不失真地獲得輸入信號的相位信息。

3.4相位測量模塊設(shè)計(jì)

3.4.1實(shí)現(xiàn)過程

相位測量模塊利用測時(shí)法進(jìn)行相位差測量，其基本原理如圖3所示。

電路中，LM339電壓過零比較器如果采用施密特觸發(fā)器可以得到的方波信號更穩(wěn)定。但這樣影響相位的測量，因此系統(tǒng)采用直接比較法，在軟件中消除零點(diǎn)及噪聲的干擾。74LS14為施密特觸發(fā)反相器起到波形整形作用，使得方波邊沿上升時(shí)間符合TTL電平要求并消除數(shù)字波形中的毛刺?；鶞?zhǔn)、前放輸出兩路同頻信號送入LM339構(gòu)成的電壓比較器得到如圖4中U2A、U2B所示矩形脈沖，經(jīng)過整形后送入D觸發(fā)器得到如圖4中的U5A、U5B兩路波形，最后將U5A、U5B送入U(xiǎn)6得到時(shí)間差脈沖τ，利用τ即可最終解算相位差Δφ。

圖3　相位檢測電路

3.4.2相位差及極性解算

假設(shè)經(jīng)過比較整形后方波信號周期為T(圖4)，則經(jīng)過鑒相器U6A后的信號測量脈沖周期為T。測量脈沖周期T和脈沖寬度為τ，相位差計(jì)算公式為

(2)

為了進(jìn)一步判斷兩路信號相位差極性，將波形整形電路的兩路輸出方波送入D觸發(fā)器中進(jìn)行相位極性判別。當(dāng)U5A超前U5B時(shí)，D觸發(fā)器U7A輸出高電平，反之輸出低電平，從而實(shí)現(xiàn)相位差的極性判斷。

圖4　相位檢測電路各點(diǎn)輸出波形

3.5系統(tǒng)測量誤差分析

3.5.1鑒相處理電路誤差分析

鑒相處理電路精度取決于從信號輸入端到單片機(jī)捕獲端通過的跟隨器、電壓比較器所產(chǎn)生的相位差和時(shí)間滯后。由于使用了直流耦合，使得跟隨器產(chǎn)生的相移誤差幾乎為零，而兩通道的電壓比較器的時(shí)間滯后相同。此外，設(shè)計(jì)電路中使用單片集成的運(yùn)放和比較器，一致性好，不會(huì)對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。由于輸入信號和運(yùn)放、比較器固有特性都可能產(chǎn)生零點(diǎn)偏移，使比較器的輸出不平衡。如果單邊沿檢測，顯然影響精度。因此，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中使用上下邊沿均測量脈沖寬度。

受電子元器件性能的影響，鑒相后的方波受到干擾時(shí)，測量其脈寬存在轉(zhuǎn)換誤差。假設(shè)信號的干擾或噪聲幅度為Vn，信號幅度為Vm，被測信號周期為T。在正弦信號的每一個(gè)上升沿均可能產(chǎn)生出發(fā)誤差ΔTi，則有

(3)

則一個(gè)周期的隨機(jī)誤差為

(4)

將式(5)帶入式(6)，可以得到

(5)

由于干擾和噪聲均為隨機(jī)過程，通過多周期平均法可以有效降低其測量誤差。在相位差測量程序模塊中，我們采用中位值平均濾波算法，來消除隨機(jī)脈沖的干擾，同時(shí)降低轉(zhuǎn)換誤差帶來的測量隨機(jī)誤差。

3.5.2計(jì)時(shí)模塊誤差分析

計(jì)時(shí)模塊用來測量矩形脈沖的脈寬和周期，使用的單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘自于晶振，誤差可以忽略，主要誤差為脈寬、周期測量誤差。

STC12C5A60S2系統(tǒng)時(shí)鐘采用12M晶振時(shí)，在單時(shí)鐘工作模式下的計(jì)時(shí)頻率為12M，計(jì)時(shí)周期為0.083μs，根據(jù)系統(tǒng)Δφ測量精度達(dá)到1°的要求，1個(gè)周期內(nèi)(360°)12M的計(jì)時(shí)時(shí)鐘要求360個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，故：

(6)

根據(jù)式(6)得到fmax=33.3kHz，對于頻率為20kHz的信號，信號周期為50μs，當(dāng)Δφ測量精度要求達(dá)到1°時(shí)，矩形脈寬為50/360≈0.14μs，大于STC12C5A60S2系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)時(shí)周期(約0.08μs)，由于聲納前放模塊工作頻率通常小于10kHz，測量精度1°對應(yīng)的脈沖寬度應(yīng)在0.3μs以上，因此采用STC12C5A60S2作為主控模塊完全能夠滿足系統(tǒng)測相精度的設(shè)計(jì)要求。

脈寬及周期測量是在一定時(shí)間內(nèi)對MCU時(shí)鐘計(jì)數(shù)，從而引入±1誤差。若最大計(jì)數(shù)誤差為ΔN，總的計(jì)數(shù)值為N，則有：

(7)

式中，Tx為閘門時(shí)間，fx為被測信號頻率。當(dāng)相位差較小時(shí)，±1誤差對測量精度影響較大。低于頻率為fx的信號，Tx增大，可以減少±1誤差對測量精度的影響。

為了減少±1誤差對測量精度的影響，計(jì)時(shí)模塊盡量增大閘門時(shí)間。測量周期時(shí)，選取Tx=1s；測量脈寬采用測量大脈寬的方法，當(dāng)占空比大于50%時(shí)測量高電平寬度；當(dāng)占空比小于50%測量低電平后與周期相減獲得高電平脈寬。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖5　主程序流程圖

系統(tǒng)的軟件部分采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各個(gè)子功能子模塊獨(dú)立。采用C語言編寫程序，具有調(diào)試靈活、可移植性好、編程效率高等優(yōu)點(diǎn)。整個(gè)軟件部分主要包括系統(tǒng)初始化、數(shù)控自動(dòng)增益調(diào)整、信號調(diào)理1設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、信號源設(shè)置模塊、相位測量模塊、人機(jī)接口模塊以及存儲模塊等。系統(tǒng)軟件主程序流程如圖5所示。

5　結(jié)語

聲納前放模塊輸入信號要求在微伏至毫伏級，輸出信號由模塊自身放大指標(biāo)決定。這種輸入信號幅度小、輸出信號幅度不定的特點(diǎn)導(dǎo)致其日常的指標(biāo)檢測操作復(fù)雜、效率不高。本文利用現(xiàn)代電子技術(shù)，設(shè)計(jì)了聲納前放模塊相位一致性參數(shù)自動(dòng)檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠快速、高效的檢測前放模塊相位一致性參數(shù)，具有體積較小、便于攜帶、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。通過維修保障中實(shí)際使用表明，系統(tǒng)可靠性、測量精度均滿足前放模塊指標(biāo)檢測要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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*收稿日期：2015年10月15日,修回日期：2015年11月27日

作者簡介：唐彪，男，工程師，研究方向：電子裝備綜合保障、電子測量。李耀波，男，博士，工程師，研究方向：電子裝備綜合保障、水聲工程、水聲測控技術(shù)。孫琎燁，男，碩士，工程師，研究方向：水聲電子技術(shù)、電子測量。

中圖分類號TH89

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.042

Detection Circuit Design for Phase Consistency of Sonar Pre-amplifier Module

TANG BiaoLI YaoboSUN Jinye

(No. 92956 Troops of PLA, Dalian116041)

AbstractPhase consistency is one of the most important performance indexes of pre-amplifier module. Phase consistency is important for a sonar performance whether it is normal or not. It needs to adopt conventional electronic devices if the traditional measuring means are used to test phase consistency. The traditional measuring means are complicated and inefficient. In order to improve the efficiency， a kind of automatic detection circuit is designed by use of modern electronic measurement technology. The practical application shows that the designed circuit can be achieved quickly and accurately， and the measurement accuracy can meet the requirement of the system measurement.

Key Wordsphase consistency, pre-amplifier module, sonar, electronic measurement