導語：水聲信號調(diào)理電路設(shè)計研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：通過在水聲信號調(diào)理電路中引入對數(shù)放大電路實現(xiàn)了對于信號的壓縮，并且電路結(jié)構(gòu)簡單，在AD采樣位數(shù)不變的情況下拓寬了信號范圍，并根據(jù)水聲信號處理電路的工作要求設(shè)計了合適的帶通濾波器，經(jīng)仿真達到了設(shè)計要求，最終實現(xiàn)了對水聲信號幅度和頻譜的壓縮。

關(guān)鍵詞：對數(shù)放大器；增益控制；巴特沃斯濾波器

在水聲系統(tǒng)中，對水聲信號的增益控制和濾波是水聲信號前置預處理過程的重要內(nèi)容。由于水聲信號幅度差異巨大，為了使其始終處于采樣ADC的最佳采樣區(qū)間內(nèi)，必須對電路的增益進行控制。當輸入信號較小時，增大電路增益，提高電路靈敏度，當輸入信號較大時，減小電路增益，防止輸出飽和。為了實現(xiàn)這一功能，當下的預處理電路往往要更加復雜。

1常用的增益控制方法

實現(xiàn)增益控制的方法有很多，在以往的設(shè)計中，以下方法應(yīng)用較為廣泛：1.1電阻衰減網(wǎng)絡(luò)。圖1基于模擬開關(guān)的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，通過多個電阻串聯(lián)分壓的方法實現(xiàn)信號的衰減，采用模擬開關(guān)（以ADG408為例）實現(xiàn)衰減回路的選通。當需要控制的增益檔數(shù)較多時，電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值差距將越來越大，因此這種方法適用于低檔位數(shù)的增益控制。1.2可編程電位器方法。這種方法是使用可編程電位器替代放大電路中的反饋電阻，一般采用多級級聯(lián)的方式。由于水聲信號處理通道數(shù)量大，要求通道增益及相位差異小，對通道中電阻等元器件精度要求較高，一般高于1%，因此，對可編程電位器的精度及分辨率有較高要求。1.3集成可調(diào)增益放大器。集成可調(diào)增益放大器通常應(yīng)用于音頻放大領(lǐng)域，分為數(shù)字式的可編程放大器（如PGA2310）和模擬式的電壓控制放大器（如SSM2164），一般最大可實現(xiàn)100dB左右的控制范圍以及0.5dB的控制精度。以上三種方法在水聲信號增益控制領(lǐng)域均有應(yīng)用，各有優(yōu)缺點，在以往的設(shè)計中均有應(yīng)用，但是三種方法均需要通過指令來被動控制增益，因此需要與數(shù)字電路進行交互，不可避免的引入干擾。為了降低控制信號對放大電路的影響，也為了獲得更大的增益范圍，同時不引入更加復雜的電路，必須采用更有效的增益控制手段。

2對數(shù)放大電路

利用PN結(jié)伏安特性的指數(shù)規(guī)律，將二極管接入反饋回路，可以實現(xiàn)對數(shù)運算，構(gòu)成最簡單的對數(shù)放大電路，如圖2所示，其輸入輸出關(guān)系為。（1）通過仿真，可以得到電路的輸入輸出特性，如圖3所示。當輸入信號較小時，對數(shù)放大電路的增益較大，而當輸入信號較大時，增益減小。利用對數(shù)放大電路可以實現(xiàn)108的增益范圍，在不采用被動控制的情況下，即可壓縮信號，因此非常適用于水聲信號調(diào)理。在式（1）中，運算關(guān)系與UT和IS有關(guān)，因而電路容易受到溫度影響，為了減小溫度的影響，同時為了擴大輸入電壓的動態(tài)范圍，利用特性相同的兩只晶體管進行補償，替代反饋回路中的二摘要：通過在水聲信號調(diào)理電路中引入對數(shù)放大電路實現(xiàn)了對于信號的壓縮，并且電路結(jié)構(gòu)簡單，在AD采樣位數(shù)不變的情況下拓寬了信號范圍，并根據(jù)水聲信號處理電路的工作要求設(shè)計了合適的帶通濾波器，經(jīng)仿真達到了設(shè)計要求，最終實現(xiàn)了對水聲信號幅度和頻譜的壓縮。關(guān)鍵詞：對數(shù)放大器；增益控制；巴特沃斯濾波器中圖分類號：TB56文獻標識碼：A文章編號：2096-4390(2018)30-0027-02T1=-lnÁÂOUTSUUUIR-27-極管，可以消去IS的影響，如圖4所示。電路的輸入輸出關(guān)系為（2）由式（2）可知，當R5采用具備正溫度系數(shù)的熱敏電阻時，R5阻值的變化可以抵消UT因溫度變化而引起的變化。通過對圖5的仿真，可以看出，輸出信號的幅度得到了明顯的壓縮，同時對于小信號，電路具備很高的靈敏度。

3濾波電路設(shè)計

在水聲系統(tǒng)中，要求對調(diào)理電路的工作帶寬加以限制，以濾除干擾。根據(jù)濾波器的濾波特性，常用的濾波器有巴特沃斯、切比雪夫、反切比雪夫和橢圓濾波器四種形式。在所有全極點濾波器中，巴特沃斯濾波器的通帶特性最為平坦，并且在以上四種濾波器中巴特沃斯濾波器的相位特性比同階數(shù)的其他三種濾波器都好。最終低通及高通濾波器均選擇四階巴特沃斯濾波器，采用壓控壓源（VCVS）電路形式實現(xiàn)，如圖6及圖7所示。將所設(shè)計的單通道電路進行仿真，得到前置預處理通道的頻響曲線如圖8所示，工作頻帶為3kHz～50kHz，最大增益在頻點37.25kHz處，約為70.26dB，邊頻點3kHz處的增益約為69.73dB，50kHz的增益約為69.58dB，帶內(nèi)起伏不大于1dB，滿足了設(shè)計要求。

4結(jié)論

通過在調(diào)理電路中引入對數(shù)放大電路替代增益控制電路，使得輸出信號的幅度得到顯著壓縮，而對于小信號，保證了很高的靈敏度，使得在不進行被動增益控制的情況下可以處理更寬的輸入信號，拓寬了相同AD位數(shù)下的采樣范圍；四階帶通濾波器的設(shè)計保證了電路合適的工作頻帶。綜上，該信號調(diào)理電路對水聲信號的幅度和頻譜進行了有效的壓縮，可以滿足實際應(yīng)用要求。

作者:張浩 單位:中船重工第七一五研究所