康真威 楊策

（第七一五研究所，杭州，310023）

水聲通信模擬信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

康真威 楊策

（第七一五研究所，杭州，310023）

為了使水聲通信模擬信號(hào)處理電路滿足低功耗和高效率的要求，本電路設(shè)計(jì)采用了由低功耗元器件構(gòu)建的前置預(yù)處理電路，并結(jié)合高效率的D類功放完成功率輸出。通過(guò)對(duì)各部分工作電源的合理管理，降低了系統(tǒng)的功耗。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室和湖海試聯(lián)調(diào)證實(shí)，該設(shè)計(jì)應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中效果較好，并能通過(guò)較少的更改，將其應(yīng)用于多個(gè)不同頻段的水聲通信項(xiàng)目中，提高該電路的可靠性和通用性。

水聲通信；模擬信號(hào)；電路；功率放大；低功耗 ；預(yù)處理

水聲通信系統(tǒng)是一個(gè)軟硬件相結(jié)合的復(fù)雜系統(tǒng)。通常是由軟件控制硬件完成相應(yīng)的通信過(guò)程。硬件部分根據(jù)電路的類型可以分為模擬電路部分和數(shù)字電路部分，前者主要包括系統(tǒng)的電源管理電路、功率放大電路和信號(hào)接收預(yù)處理電路等；后者主要包括信號(hào)AD采集、信號(hào)處理MCU和數(shù)字邏輯控制。由于系統(tǒng)較為復(fù)雜，各部分的電路種類較多，所以以往的設(shè)計(jì)較多根據(jù)各自的功能設(shè)計(jì)獨(dú)立的電路模塊，這樣會(huì)使電路板種類較多，體積龐大，而且通常缺少統(tǒng)一的考慮，性能上也未達(dá)到預(yù)期的效果。本設(shè)計(jì)則將水聲通信模擬信號(hào)處理電路統(tǒng)一考慮設(shè)計(jì)，降低了模擬信號(hào)預(yù)處理電路的功耗，提高了功率放大輸出的效率，同時(shí)增加了該電路的通用性和可靠性。

本文描述了水聲通信模擬信號(hào)處理電路的總體設(shè)計(jì)思路，硬件電路設(shè)計(jì)和相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)。該電路完成水聲通信信號(hào)的功率放大和接收信號(hào)的預(yù)處理，并結(jié)合單片機(jī)的軟件控制，完成對(duì)模擬信號(hào)處理模塊上各電源的切換控制，達(dá)到系統(tǒng)低功耗的要求。

1 基本設(shè)計(jì)思路

整個(gè)模擬信號(hào)處理電路的總體設(shè)計(jì)思路是模塊電路低功耗和提高能量的使用效率，其三個(gè)部分的設(shè)計(jì)需要考慮在完成主要功能的情況下，滿足總體設(shè)計(jì)思路的要求。

（1）通過(guò)功率器件將輸出信號(hào)功率放大，然后用于驅(qū)動(dòng)換能器。設(shè)計(jì)中需通過(guò)提高功率放大電路的效率，減少能量的損失，提高能量的利用率。

（2）信號(hào)接收預(yù)處理主要完成信號(hào)的接收調(diào)理，模塊需長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)，因此選用低功耗的電路器件和合理的電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可以降低該電路部分的工作損耗，達(dá)到低功耗的要求。

（3）電源主要為其它的各部分提供工作電源電壓，所以各個(gè)電源電路除了需要能夠在較高效率下工作之外，還要在低功耗MCU的控制下，能夠開(kāi)關(guān)切換，達(dá)到各部分電源能量合理利用的目的。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 功率放大

功率放大電路通常根據(jù)其工作狀態(tài)可以分為A類、AB類、B類和D類等。前三種功放由于工作在線性區(qū)，所以稱為線性功放，因其功放管上的能量損耗較大，所以效率不高。D類功放稱為開(kāi)關(guān)功放，功放管處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此能量損耗小，通常功放效率可達(dá)90%左右[1]。本文設(shè)計(jì)功率放大部分采用D類功率放大電路，電路框圖見(jiàn)圖1。

圖1 功率放大部分電路框圖

2.1.1 信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路

信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路采用隔離式半橋驅(qū)動(dòng)器并結(jié)合三極管構(gòu)成。該驅(qū)動(dòng)器的速度可達(dá)1 MHz，內(nèi)部具有隔離電源，具有較好的抗干擾性。同時(shí)，由外部的三極管搭建的推挽電路，進(jìn)一步的增加了該驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力。為了進(jìn)一步的減少驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)損耗，在三極管的基極電阻上并聯(lián)瓷片電容和反向二極管，加快三極管的開(kāi)關(guān)速度，減少開(kāi)關(guān)損耗[2]。

2.1.2 全橋驅(qū)動(dòng)電路

全橋驅(qū)動(dòng)電路由高速 MOSFET管構(gòu)成。功放選用全橋結(jié)構(gòu)，適用于大功率的輸出，同時(shí)選用高速 MOSFET管作為全橋電路的開(kāi)關(guān)管，增加電路的可靠性。高速M(fèi)OSFET管通常工作頻率為1 MHz，并且其導(dǎo)通電阻為 0.011 ?，較小的導(dǎo)通電阻可以有效的減小開(kāi)關(guān)損耗。

2.1.3 LC低通濾波電路

濾波電路選用LC構(gòu)成的低通濾波器。合理的低通濾波器可以濾除 SPWM 的開(kāi)關(guān)頻率，將基帶信號(hào)傳送給換能器輸出。

2.1.4 匹配電路

匹配電路選用電感并聯(lián)匹配。通過(guò)并聯(lián)匹配電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)諧，并濾除諧波的影響，提高由于換能器的電容特性而帶來(lái)的功放效率低下。

2.2 信號(hào)接收預(yù)處理

信號(hào)接收預(yù)處理主要由放大電路、濾波電路和程控增益電路構(gòu)成。信號(hào)接收預(yù)處理部分組成見(jiàn)圖2。

圖2 信號(hào)接收預(yù)處理部分電路框圖

2.2.1 前放電路

前放電路采用低噪聲運(yùn)算放大器構(gòu)成。該運(yùn)算放大器的工作電流為180 μA，并且具有較低的自噪聲和較大的增益帶寬積，滿足低噪聲、低功耗設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 程控增益電路

程控增益電路有多種實(shí)現(xiàn)方式，包括集成程控放大器和由模擬開(kāi)關(guān)構(gòu)成的電阻網(wǎng)絡(luò)等。這里對(duì)增益控制精度要求不是很高，并且集成的程控增益放大器一般需要較大功耗，所以選用由模擬開(kāi)關(guān)和電阻網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成程控增益控制電路。電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成多級(jí)信號(hào)衰減，通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān)選擇不同的衰減信號(hào)達(dá)到增益控制的目的。

2.2.3 濾波電路

考慮到電路體積及電路穩(wěn)定性，濾波電路采用低功耗、寬帶寬的運(yùn)算放大器構(gòu)建。通過(guò)采用多路反饋電路形式構(gòu)建四階切比雪夫?yàn)V波器[3]。采用上述形式濾波器電路結(jié)構(gòu)，性能穩(wěn)定并且易于設(shè)計(jì)及調(diào)整參數(shù)。該運(yùn)算放大器工作電流為37 μA，并且有3 MHz的增益帶寬積，所以適合構(gòu)建本設(shè)計(jì)中的帶通濾波器。

2.2.4 補(bǔ)充放大電路

補(bǔ)充放大電路主要采用低功耗運(yùn)算放大器完成對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行幅度放大，滿足后端信號(hào)采集的要求。

2.3 電源管理

電源管理部分由多組 DC-DC電源、負(fù)載開(kāi)關(guān)和低功耗單片機(jī)構(gòu)成，組成框圖見(jiàn)圖3。電源管理主要分為八個(gè)部分，每組 DC-DC電源根據(jù)電壓、電流的不同要求，采用了不同的DC-DC電源芯片，保證了電源的高效率工作。功放高壓48 V電源采用寬電壓輸入范圍的 DC-DC電源芯片構(gòu)成反激式開(kāi)關(guān)電源。該電源的效率達(dá)到90%左右。接收通道3.3 V電源采用高效率DC-DC電源轉(zhuǎn)換芯片。當(dāng)輸入12 V工作電壓，輸出3.3 V，工作電流1 mA時(shí)，該芯片具有近90%的工作效率，對(duì)于采用3.3 V作為待機(jī)電源來(lái)說(shuō)，可以有效的節(jié)約電源能耗。數(shù)字電路5 V電源同樣采用高效率DC-DC電源轉(zhuǎn)換芯片，并且該電源同時(shí)通過(guò)負(fù)載開(kāi)關(guān)提供給信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路5 V電源。由于數(shù)字電路5 V電源需要同時(shí)提供給數(shù)字信號(hào)處理模塊中 DSP和功放的驅(qū)動(dòng)電路使用，所以選擇能提供最大1 A電流的電源轉(zhuǎn)換芯片，滿足上述功能的要求。信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路15 V電源采用隔離電源模塊，由于主要提供給功放作為驅(qū)動(dòng)電源的一部分，所以選擇隔離15 V電源模塊，減少電源間的相互干擾。接收陣12 V和接收陣3.3 V分別由低壓差線性穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換而成，考慮到對(duì)接收電路供電，所以選擇線性穩(wěn)壓芯片，減少開(kāi)關(guān)噪聲對(duì)接收電路的影響。單片機(jī)采用MSP430系列，該單片機(jī)在休眠狀態(tài)工作電流為幾十個(gè)μA[4]，同時(shí)由于電源控制比較簡(jiǎn)單，所以工作頻率選擇 100 kHz，有效的降低了工作電流，減少了電路功耗。模擬信號(hào)處理模塊通過(guò)單片機(jī)有效地控制多組電源切換，在滿足模塊功能要求的同時(shí)，提高了電源的能量利用率。

圖3 電源管理電路框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

低功耗的單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要功能是完成電路的電源管理，達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)功耗的目的。軟件流程圖見(jiàn)圖4。整體軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。軟件控制流程主要采用對(duì)狀態(tài)引腳循環(huán)檢測(cè)的方式。當(dāng)MCU完成初始化之后進(jìn)入休眠狀態(tài)，將模擬信號(hào)處理電路設(shè)置為低功耗待機(jī)模式。當(dāng)模擬信號(hào)處理電路需要進(jìn)入信號(hào)接收或者發(fā)射模式的時(shí)候，將MCU通過(guò)引腳觸發(fā)喚醒，然后MCU對(duì)狀態(tài)控制引腳進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)，根據(jù)引腳的不同狀態(tài)，將模擬信號(hào)處理電路設(shè)置為不同的工作模式，完成整個(gè)電路的電源管理。將閑置狀態(tài)的MCU休眠，減少的MCU的無(wú)端損耗。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 測(cè)試結(jié)果及結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試，帶寬 16～21 kHz，測(cè)試結(jié)果如下：（1）模擬信號(hào)處理模塊待機(jī)功耗3.9 mW。（2）發(fā)射功率大于40 W，效率大于90%。（3）輸入短路噪聲小于3 μV。（4）接收增益72 dB。（5）程控增益調(diào)節(jié)?42 dB，8檔調(diào)節(jié)，每檔(?6±1)dB。（6）帶內(nèi)起伏小于±1 dB。

本設(shè)計(jì)完成了通信信號(hào)的接收，發(fā)射和整個(gè)系統(tǒng)的電源管理，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的模擬信號(hào)處理電路的功能。與以往的電路相比，整個(gè)電路體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，功能和性能都達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)的要求。由于不同水聲通信系統(tǒng)對(duì)輸出功率和接收電路噪聲的不同要求，為了提高電路的通用性，后續(xù)將進(jìn)一步的降低電路噪聲和增大輸出功率。

[1]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2]高少波,肖仁彪,康真威.基于自然采樣SPWM 技術(shù)的高頻開(kāi)關(guān)功放[J].聲學(xué)與電子工程,2013(4):47-48.

[3]康華光.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,1999.

[4]沈建華,楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.