李耀波，曹黎明，郝學(xué)超，孫琎燁

(解放軍92956部隊，遼寧 大連 116041)

聲納前置放大模塊負(fù)責(zé)對換能器接收信號的前端調(diào)理，由于接收信號微弱(微伏級)，對前放模塊的噪聲、放大量、相位不一致性等指標(biāo)要求極為苛刻，前放模塊性能好壞直接影響了聲納的性能。然而，受工作環(huán)境及工作機(jī)理的限制，前放模塊可靠性普遍不高。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，聲納裝備信息處理能力越來越強(qiáng)，因而需要的前放通道數(shù)目越來越多。采用傳統(tǒng)的測量手段對前放模塊進(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。本文設(shè)計了一種利用現(xiàn)代電子測量技術(shù)設(shè)計的前放模塊指標(biāo)自動測量系統(tǒng)，能夠全面、快速、準(zhǔn)確地檢測前放模塊的技術(shù)指標(biāo)，提高了維修效率，豐富了裝備維修測試手段。

1 系統(tǒng)要求及設(shè)計

根據(jù)前置放大模塊的輸入輸出信號分析，系統(tǒng)需要測試的主要指標(biāo)如下:1)前放模塊的增益，根據(jù)輸入信號幅度不同，其增益范圍為10dB～60dB;2)各前放模塊間的相位不一致性。在工作頻率范圍內(nèi)，其相位不一致性指標(biāo)范圍在1.5°～6°;3)放大器的最大輸出電壓(峰－峰值范圍2V～5V)時波形無明顯失真;4)工作頻率≤10kHz。

根據(jù)設(shè)計要求，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、幅度增益測量模塊、相位測量模塊、存儲模塊和人機(jī)接口模塊等，整個系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機(jī)主控模塊設(shè)計

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，具備單時鐘/機(jī)器周期工作模式，具有4個16位定時器，7路IO中斷口，2個UART，8路高速10位A/D模塊，同時集成看門狗、專用復(fù)位電路及外部掉電檢測電路等功能［1］。該芯片的10位A/D模塊對于5V的信號幅度電壓，最低分辨率約為5mV，可以滿足幅度及增益的測量要求;16位定時器可以滿足系統(tǒng)計時功能的要求。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，具有價格便宜、開發(fā)周期短的優(yōu)點，且可以滿足運算量、精度及實時性要求。

圖1 自動檢測系統(tǒng)原理框圖

2.2 信號產(chǎn)生模塊設(shè)計

信號產(chǎn)生的方法主要有反饋型LC振蕩器、集成振蕩器、直接頻率合成［2］、鎖相頻率合成［3］、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，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。

2.3 信號調(diào)理模塊設(shè)計

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4個，信號調(diào)理2、信號調(diào)理3作用是將信號進(jìn)行一定的放大，以適應(yīng)峰值及相位測量電路對輸入信號的要求，由高速、低溫漂運算放大器OP07構(gòu)成放大電路，實現(xiàn)對信號的低噪放大。

前放模塊主要用來對換能器前端接收的微弱信號進(jìn)行放大，輸入信號要求在微伏至毫伏級。模塊內(nèi)部設(shè)有限幅電路對過大的信號進(jìn)行限幅，防止信號過大導(dǎo)致后續(xù)電路飽和。微弱信號經(jīng)過前放模塊后，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)峰值及相位測量電路對輸入信號的要求。信號調(diào)理1、信號調(diào)理4用來對待檢測的前放模塊輸入輸出信號進(jìn)行調(diào)理。

2.3.1 信號調(diào)理模塊1設(shè)計

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)實現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的變換，在實際的應(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)接入運放實現(xiàn)電流-電壓的轉(zhuǎn)換，反饋電阻(Rfb)直接與運放的輸出相連，由此即可得到輸出電壓VOUT與輸入的參考壓VREF的關(guān)系［4］:

式中，D是由單片機(jī)送出的數(shù)字量，通過軟件改變D的值就可實現(xiàn)程控衰減。當(dāng)8位數(shù)字量全為1時，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，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，性價比高。

圖2 信號調(diào)理1設(shè)計電路

根據(jù)計算，衰減量在0～32dB內(nèi)每步進(jìn)1dB都可以得到相應(yīng)的8位數(shù)字量，但在33dB～60dB范圍內(nèi)每步進(jìn)1dB便不能得到相應(yīng)的數(shù)字量。為了解決這一問題，設(shè)計中利用DAC0832進(jìn)行0～19dB的細(xì)調(diào)衰減，步進(jìn)值為1dB。在信號源部分的最終輸出端加入固定的20dB和40dB粗調(diào)電阻衰減。最終實現(xiàn)系統(tǒng)要求的輸出程控衰減范圍為0～60dB，步進(jìn)值為1dB。為了降低DAC0832的頻率特性對不同頻率信號衰減量不一致的影響，設(shè)計中將1V的直流電壓輸入到DAC0832的參考電壓端，對直流電壓做程控衰減。衰減之后的輸出量再與DDS輸出的正弦信號相乘，以此來實現(xiàn)對掃頻信號源輸出信號的程控衰減。

2.3.2 信號調(diào)理模塊4設(shè)計

信號調(diào)理4為電路數(shù)字控制自動增益電路，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，其設(shè)計電路如圖3所示。

圖3 信號調(diào)理4設(shè)計電路

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)計實現(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，從而實現(xiàn)信號的數(shù)控自動增益控制。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幅度、相位信息。

2.4 峰值及增益測量模塊設(shè)計

峰值檢測電路用來進(jìn)行被測網(wǎng)絡(luò)增益測量和最大不失真輸出測量，此外還作為數(shù)控自動增益控制模塊的反饋信號。最簡單的峰值檢測器依據(jù)半波整流原理構(gòu)成電路［5］，利用二極管對電容C充放電實現(xiàn)峰值測量。其缺點是當(dāng)交流電壓較小時，測量電路的直流電壓往往偏離其峰值較多。僅當(dāng)泄放電流可不計時，輸出電壓才可認(rèn)為是輸入電壓的峰值。

為了提高峰值檢測器的精度和性能，對其電路進(jìn)行了改進(jìn)，最終峰值檢測電路如圖4所示。設(shè)計中為了避免次級輸入電阻的影響，檢測電路的輸出端加一級跟隨器(A1)作為隔離級，從而有效地隔離次級的影響，且跟隨器的輸出電壓(Vo)可視為與電容上的電壓相等;在檢測電路前加一級比較放大器(A2)。比較放大器是開環(huán)的差動放大器，具有很高的增益，只要Vi略大于Vo，就可以輸出很大的電壓驅(qū)動D1對電容充電;在Vi－Vo＜0時，比較放大器的輸出電壓接近于負(fù)電源電壓，使D1上有較大的反向電壓，D1就會有一定的反向泄漏電流。為抑制D1的反向電流，應(yīng)使D1的正極在反向時的電壓只略低于Vo。為此，在比較放大器(A2)與D1之間增設(shè)二極管D2和電阻R2。

圖4 峰值檢測電路

為了改善電路的速度，用非線性元(器)件D3，將比較放大器組成非線性反饋的放大器。若D3的正向等效電阻為RD3，在RD3? R3時，只要R3充分大，保持Vo值變化較小，對于輸入信號來說，該電路相當(dāng)于有偏置的跟隨器。若RD3可不計則輸出電壓為

V02的最低值為

式中，Vp是輸入電壓Vi的峰值。在設(shè)計電路時，若使Vi的最大峰值小于A2的負(fù)向擺幅之半，則A2就可以保持在線性區(qū)工作。

2.5 相位測量模塊設(shè)計

2.5.1 實現(xiàn)過程

相位測量模塊利用測時法進(jìn)行相位差測量，其基本原理如圖5所示。

電路中，LM339電壓過零比較器如果采用施密特觸發(fā)器可以得到更穩(wěn)定的方波信號。但這樣會影響相位的測量，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間符合TTL電平要求并消除數(shù)字波形中的毛刺。基準(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6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6中的U5A、U5B兩路波形，最后將U5A、U5B送入U6得到時間差脈沖τ，利用τ即可最終解算相位差 Δφ。

2.5.2 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6)，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，相位差計算公式為

圖5 相位檢測電路

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，D觸發(fā)器U7A輸出高電平，反之輸出低電平，從而實現(xiàn)相位差的極性判斷。

圖6 相位檢測電路各點輸出波形

2.5.3 誤差分析

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間滯后相同。此外，設(shè)計電路中使用單片集成的運放和比較器，一致性好，不會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。由于輸入信號和運放、比較器固有特性都可能產(chǎn)生零點偏移，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，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上升沿均可能產(chǎn)生出發(fā)誤差ΔTi，則有

則一個周期的隨機(jī)誤差為

將式(5)代入式(6)，可以得到

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，同時降低轉(zhuǎn)換誤差帶來的測量隨機(jī)誤差。

2)計時模塊誤差分析

計時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)時鐘源自于晶振，誤差可以忽略，主要誤差為脈寬、周期測量誤差。

STC12C5A60S2系統(tǒng)時鐘采用12M晶振時，在單時鐘工作模式下的計時頻率為12M，計時周期為0.083μs，根據(jù)系統(tǒng)Δφ測量精度達(dá)到1°的要求，1個周期內(nèi)(360°)12M的計時時鐘要求360個計數(shù)脈沖，故

根據(jù)式(8)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，矩形脈寬為50/360≈0.14μs，大于 STC12C5A60S2系統(tǒng)時鐘計時周期(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0.3us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)計要求。

脈寬及周期測量是在一定時間內(nèi)對MCU時鐘計數(shù)，從而引入±1誤差。若最大計數(shù)誤差為ΔN，總的計數(shù)值為N，則有式(9)成立:

式中，Tx為閘門時間，fx為被測信號頻率。當(dāng)相位差較小時，±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，計時模塊盡量增大閘門時間。測量周期時，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。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件部分采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，各個子功能子模塊獨立。采用C語言編寫程序，具有調(diào)試靈活、可移植性好、變成效率高等優(yōu)點。整個軟件部分主要包括系統(tǒng)初始化、數(shù)控自動增益調(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、幅度增益測量模塊、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7所示。

圖7 主程序流程圖

4 結(jié)束語

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)，結(jié)合前放模塊的檢測指標(biāo)，設(shè)計了自動檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠快速、高效地檢測前放模塊指標(biāo)，具有體積較小、便于攜帶、性價比高等優(yōu)點。通過維修保障中實際使用表明，系統(tǒng)可靠性、測量精度均滿足前放模塊指標(biāo)檢測要求。

［1］丁向榮.單片機(jī)微機(jī)原理與接口技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2012.

［2］李文杰.頻率特性測試儀系統(tǒng)設(shè)計［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2005.

［3］葛健.基于AD9850寬帶線性掃頻源研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2005.

［4］王麗.數(shù)字頻率特性測試儀的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.保定:河北大學(xué)，2007.

［5］楊欣，胡文錦，張延強(qiáng).實例解讀模擬電子技術(shù)完全學(xué)習(xí)與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2013.

［6］張金.模擬信號調(diào)理技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2012.