应用于海洋测深仪器的接收预处理电路

【摘要】随着海洋科学技术发展和民用仪器要求的提升，海洋测深仪器的小型化也给内部的电子设备提出了更高的要求：体积小、功耗低。根据这些要求，接收预处理电路也有了很大的设计改变。本文介绍了一个应用于小型海洋测深仪器的接收预处理电路，详细说明了电路的设计方法及相关参数选择。

【关键词】小型化;放大电路;滤波器;TVG控制

1.引言

海洋测深设备是较早的一类水下声学仪器，这种设备得到了广泛地应用。所有这样的设备都有共同的原理：它们都利用一组发射换能器在水下发射声波，使声波沿海水介质传播，直到碰到目标后再被反射回来，反射回来的声波被接收换能器接收，经过放大、滤波等信号调理，然后再由信号处理机处理采集到的数据，进而确定目标的参数和类型。

近海海洋开发和海洋工程都需要体积小、重量轻的浅海多波束测深系统进行准确、快速的地形地貌测量。早期的海洋测深仪器水下分机只包括发射、接收基阵和前置放大电路，将放大后的模拟电路上传至水上分机进行后续滤波放大等处理。

随着海洋测深仪的小型化要求，对传统的接收电路提出了挑战，要求体积小、功耗低、可靠性更高。现在设计的海洋测深仪器很多都要求将整个接收预处理及数字采集电子舱放入水下基阵的结构空腔内，直接将信号数字化后上传。

2.接收预处理电路设计

以一例正在开发的海洋仪器为例，该测深仪为128路换能器输入，工作频率为195kHz，其量程是200m。總体对接收预处理电路的要求如下：

前放放大倍数100倍;

中心工作频率为195kHz，接收带宽为20kHz，带内起伏小于1dB，带外120kHz和370kHz处衰减-40dB;

TVG控制：要求预存4条TVG控制曲线，每条100个点，动态范围要求达到80dB以上。本设计中接收预处理电路包括放大电路、滤波电路、TVG电路。换能器接收到的回波信号是很微弱的，尤其是边缘波束，所以在系统设计时选择了先进行固定增益的放大，最大程度的保留了有用信号，然后进行滤波处理，去除噪声，再经过可控增益放大电路处理的方案。为了实现电路小型化、低功耗，在器件选择上要尽量考虑集成度高，周边电路简洁的类型。

图1 前置放大电路组成框图

2.1 放大电路的设计

由于传感器的输出电压非常微弱，非常容易受到干扰甚至于淹没于过大的电路噪声中。所以在选择小信号放大电路的运算放大器芯片时，要特别考虑到运算放大器与噪声有关的参数。要实现小信号的测量，运算放大器要满足：（1）偏置电流小;（2）输人阻抗大于反馈电阻;（3）增益、共模抑制比高;（4）失调电压及漂移小;（5）噪声小。

考虑到以上设计因素，本设计中的前置放大电路主要采用AD公司的AD8429运算放大器完成，AD8429是一款超低噪声仪表放大器。采用差分输入。仪表放大器有极高的共模和差模输入阻抗和很低的输出阻抗，有精确和稳定的增益，并且有很高的共模抑制比。因此能在测试和测量仪器仪表中获得广泛应用。

AD8429技术特性：

——输入噪声：1nV/

——输出噪声：45nV/

——CMRR：90dB（最小值，G=1）

——输入失调电压：50µV

——增益精度：0.02%（最大值，G=1）

——带宽：15MHz（G=1）

——带宽：1.2MHz（G=100）

AD8429的这些特性很好地满足了放大电路低噪声、失调电压和精度等要求，而且其增益设置方式简单，要改变增益只需要改变一个外部电阻的阻值。这样减少了外部电路的体积，为放大电路进一步小型化创造了条件。

图2 AD8429的管脚连接图

AD8429的增益通过单个外部电阻RG设置，增益范围为1至10，000。

G=1+6k/RG

更改放大倍数只需要更改一个电阻RG，简便而容易实现。本设计中，根据总体对海洋噪声和信号强度的估计，对前置放大倍数的要求是G=100，如下：

RG=6000/（G-1）≈60.6（Ω）

确定选择E96电阻系列中的60.4Ω。

2.2 滤波电路的设计

滤波也是小信号调理的重要环节，从换能器收到的信号中有大量噪声和带外信号，假如不能滤除，很容易造成接收通道阻塞，并严重影响有效信号的放大分析。一个好的滤波器能有效地滤除干扰信号，消除噪声信号，提高信噪比。

早期滤波电路主要使用无源滤波器，和无源滤波器相比，有源滤波器有体积小、不受系统阻抗影响，不存在谐波放大和共振的危险;不会随谐振点偏移而效果降低;而且也不会因为超载而损坏;谐波量大于补偿能力时，仅发生补偿效果不足而已。因此现有信号放大电路中通常采用有源滤波器。凌特公司推出了一系列的单片连续时间有源RC滤波器及采样滤波器。其中LTC1562-2就是一款应用范围广泛、使用电路简单的有源滤波器。LTC1562-2内部有4个匹配的2阶连续时间滤波器，可根据滤波需求级联组成2个4阶或1个8阶滤波器。通过外部电阻电容连接方式的改变，LTC1562-2分别可作为高通、带通、低通滤波器使用，并有巴特沃斯、贝塞尔和椭圆等滤波模型可选，使用十分灵活。而且凌特公司还提供了FilterCAD软件用于滤波器设计仿真，将滤波参数输入，软件就能提供相应的连接方案。根据需求，我们需要搭建一个带通滤波器，我们在FilterCAD软件中选择带通滤波器，并设计要求输入滤波参数：

FC=195kHz;

PB=20kHz;

SB=150kHz;

Stopband Atten.=40dB

软件会根据具体参数提出几个不同模型下的方案，我们选择了用巴特沃斯模型。

以下是软件建议的外部电路连接方式和电容电阻的参数大小。FilterCAD软件推荐的电阻一般是E96系列，有较高的精度。

图3 FilterCAD应用图例3

2.3 TVG电路的设计

海洋测深以属于主动发射的水声设备，因此基阵接收的信号具有較人的动态范围，而且声呐回波信号的幅度随着距离的变化具有一定的规律，在近距离回波，混响占主要成分。因此抗混响成为主动声呐接收机的主要任务之一，TVG（Timing Variable Gain）模块是抗混响的有效途径。

为了实现整个前放电路的小型化、低功耗，我们必须抛弃传统的用电阻衰减网络实现TVG的思路，转而寻找一种集成化程度更高、控制方法更简单、实现更灵活的TVG电路。

本文中介绍的是结合串行控制的增益控制器CS3308的特点，设计了一种通过SPI控制的TVG电路，该电路有以下优点：（1）增益曲线更改设计灵活，能适应海区变化的需要，并支持控制曲线在线下载功能;（2）解决了传统TVG控制电路电阻衰减网络式设计时硬件量较大等问题，通道多，体积小;（3）在非主动方式下，可作为在线增益控制器，增益控制范围：-96～22dB。

CS3308是一款8通道音量控制软件，有8路模拟信号的输入输出，动态范围为118dB，步进精度为1/4dB或1/2dB，通道间无串扰。采用48引脚LQFP封装，帮助减少外部器件数量同时能实现电路小型化。

CS3308可以通过二线制的I2C或三线制的SPI控制音量大小，本例中用的是SPI方式。SPI控制线主要有三根：/CS（片选使能）、CCLK（时钟）、MOSI（数据）。假如没有在线复位要求，/RST等信号可以直接拉到高电平上。SPI控制信号一般由单片机、DSP或FPGA芯片提供，本设计中由于模拟电路后端的数字采集和预处理使用的是FPGA（Cyclone Ⅲ的EP3C120F780I7），该芯片有丰富的I/O脚资源，因此TVG的SPI信号就由该FPGA的I/O脚提供。以下是三个控制信号的连接和时序关系：

图4 CS3308控制时序图

从图4所示的时序图可以看出，控制过程中“MOSI”先写入片选地址，再写入寄存器地址，然后根据该寄存器方式写入数值。CS3308可选择的工作模式有很多：如8通道统一设置或分别设置、1/2dB步进或1/4dB步进、静音选择等等，都是通过不同地址的寄存器写入设置的。用户可以通过自己的需求灵活配置。本例选择的是8通道统一设置增益，1/2dB步进。

CS3308的增益写入值计算：

写入值=2X增益（dB）+210

现要求的TVG曲线常用的一个情况是周期300ms，中间插值100个点，以下是模拟信号经AD变换后数字采集端采集到的TVG控制的信号。

图5 TVG控制采集波形

由图5可以看出在TVG周期前段可以避免接收机在发射脉冲器件及混响段的阻塞现象。

3.总结

从本文介绍的前放电路可以看出：通过利用现在更新的器件和电路设计，可以很大程度地改变过去接收预处理电路的设计，使电路进一步小型化、低功耗化，使整个预处理电路放进水下分机成为可能。换能器接收信号经过放大、滤波和TVG调整后即可进行进一步放大或直接提供给AD采样电路。

参考文献

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