溫連峰　李耀波　曹黎明

(92956部隊(duì)　大連　116041)

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聲納前放模塊幅度增益檢測(cè)電路設(shè)計(jì)*

溫連峰李耀波曹黎明

(92956部隊(duì)大連116041)

摘要幅度增益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(duì)聲納裝備整體性能至關(guān)重要。為了提高前放模塊幅度增益的檢測(cè)效率,基于現(xiàn)代電子測(cè)量技術(shù)和微控制器設(shè)計(jì)了一種幅度增益測(cè)量電路。該檢測(cè)電路能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)前放模塊的幅度增益技術(shù)指標(biāo)的檢測(cè)且測(cè)量精度滿足要求,從而縮短測(cè)試診斷時(shí)間,提高了裝備維修保障效率。

關(guān)鍵詞幅度增益; 聲納; 電子測(cè)量; 裝備維修保障

Detection Circuit Design for Amplitude Gain of Sonar Pre-amplifier Module

WEN LianfengLI YaoboCAO Liming

(No. 92956 Troops of PLA, Dalian116041)

AbstractAmplitude gain is one of the most important performance indexes of pre-amplifier module. Amplitude gain is important for a sonar performance whether it is normal or not. In order to improve the detection efficiency of the amplitude gain of the pre-amplifier module, a measurement circuit is designed based on modern electronic measurement technology and micro controller. The detection circuit can automatically realize the measurement of the amplitude gain of the pre-amplifier module and the measurement accuracy can meet the requirements, so as to shorten the testing time and improve the efficiency of equipment maintenance and support.

Key Wordsamplitude gain, sonar, electronic measurement, equipment maintenance and support

Class NumberTB565

1引言

幅度增益檢測(cè)是聲納前放模塊日常維修中檢測(cè)的重要指標(biāo)之一。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?，F(xiàn)在各種回音聲納、綜合聲納及被動(dòng)聲納的前放模塊少則幾十塊,多則數(shù)百塊。采用傳統(tǒng)的測(cè)量手段對(duì)前放模塊進(jìn)行檢測(cè)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(duì)大規(guī)模前放模塊的檢測(cè)。本文設(shè)計(jì)了一種利用現(xiàn)代電子測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)的前放模塊幅度增益自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),能夠全面、快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)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(cè)試手段。

2系統(tǒng)要求及設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)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),前放模塊的增益范圍為10dB~60dB,其幅度不一致性要求≤1dB;放大器的最大輸出電壓(峰-峰值范圍2V~5V)時(shí)波形無明顯失真。為實(shí)現(xiàn)對(duì)幅度增益的自動(dòng)測(cè)量,以ARM7系列為控制核心,一方面,控制DDS掃頻信號(hào)源產(chǎn)生所需激勵(lì)信號(hào)源,同時(shí)控制幅度增益測(cè)量模塊測(cè)量前放模塊輸出信號(hào)的峰值,經(jīng)過微控制器解算,實(shí)現(xiàn)幅度增益和幅度不一致性測(cè)量;另一方面,控制LCD對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行顯示。利用獨(dú)立式鍵盤輸入相應(yīng)操作命令,進(jìn)行整個(gè)測(cè)量過程的控制,實(shí)現(xiàn)了友好的的人機(jī)交互。通過I2C總線對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存,在需要查看時(shí)可方便地回調(diào)查看;此外,主控模塊利用USB串行總線將測(cè)量結(jié)果上傳到計(jì)算機(jī),方便測(cè)量數(shù)據(jù)的分析、處理。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,系統(tǒng)采用內(nèi)核為ARM7TDMI CPU的微控制器為核心,包含信號(hào)產(chǎn)生模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、幅度增益測(cè)量模塊、存儲(chǔ)模塊和人機(jī)接口模塊等。上電后,微控制器控制DDS信號(hào)源輸出預(yù)定初始頻率,經(jīng)調(diào)理模塊調(diào)理后輸入待測(cè)網(wǎng)絡(luò),整個(gè)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1　自動(dòng)檢測(cè)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,選用內(nèi)核為ARM7TDMI CPU的微控制器[1]LPC2132作為主控芯片。其片內(nèi)集成60K靜態(tài)RAM,64K高速Flash存儲(chǔ)器。片內(nèi)晶體振蕩電路支持頻率為1MHz~30MHz,通過片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率。具有兩個(gè)32位定時(shí)器,49路GPIO口,包含UART、I2C、SPI及SSP多種串行接口,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(cè)電路等功能[2]。該芯片的10位A/D模塊對(duì)于5V的信號(hào)幅度電壓,最低分辨率約為5mV,可以滿足幅度及增益的測(cè)量要求;32位定時(shí)器可以滿足系統(tǒng)計(jì)時(shí)功能的要求。選用LPC2132作為主控芯片,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(hào)產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)產(chǎn)生的方法主要有反饋型LC振蕩器、集成振蕩器[3~4]、直接頻率合成[5~6]、鎖相頻率合成[7~8]、直接數(shù)字頻率合成(DDS)等。DDS[9]系統(tǒng)的核心是相位累加器,它由一個(gè)加法器和一個(gè)N位相位寄存器組成。它類似一個(gè)計(jì)數(shù)器,每來一個(gè)時(shí)鐘信號(hào),相位累加器的輸出就增加一個(gè)步長(zhǎng)K的相位增加量,其大小由頻率控制字確定。相位寄存器的輸出與相位控制字相加,然后輸入到正弦查詢表地址上。從查詢表中讀出相位累加器輸出相位信號(hào)值對(duì)應(yīng)的幅度數(shù)據(jù),通過DAC將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所需的模擬信號(hào)波形輸出。

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用AD公司的DDS集成芯片AD9850[9~11],該集成芯片能夠產(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。產(chǎn)生的波形穩(wěn)定、電路簡(jiǎn)單且程控調(diào)節(jié)方便,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0.2~1V。AD9850接口控制簡(jiǎn)單,可以用8位并行口或串行口直接輸入頻率、相位的32位頻率控制字。為減少IO資源占用,系統(tǒng)利用LPC2132作為控制核心,通過串行方式向AD9850發(fā)送控制字。

3.3存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

為了方便測(cè)量數(shù)據(jù)的分析、處理及保存,系統(tǒng)設(shè)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊,將每次測(cè)量數(shù)據(jù)存至外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。設(shè)計(jì)中外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用CAT24WC256,它是一個(gè)256K位串行CMOS E2PROM,通過I2C總線接口進(jìn)行操作。I2C總線是PHLIPS公司推出的一種串行總線[12],是具有主機(jī)系統(tǒng)所需的包括總線裁決和高低速器件同步等功能的高性能串行總線。系統(tǒng)采用I2C總線設(shè)計(jì),更改和擴(kuò)充也極為容易,可大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì),減少系統(tǒng)體積,同時(shí)具有較高的可靠性。CAT24WC256內(nèi)部含有32K字節(jié)存儲(chǔ)空間,對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制編碼的形式保存。以每條數(shù)據(jù)需2個(gè)字節(jié)計(jì)算,能夠保存約16K Byte的數(shù)據(jù),完全滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。

3.4信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

由于測(cè)量網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入信號(hào)要求不同,信號(hào)源產(chǎn)生的正弦信號(hào)需要經(jīng)過調(diào)理才能送入測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。模塊內(nèi)部設(shè)有限幅電路對(duì)過大的信號(hào)進(jìn)行限幅,防止信號(hào)過大導(dǎo)致后續(xù)電路飽和。微弱信號(hào)經(jīng)過前放模塊后,根據(jù)信號(hào)的幅度需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠡蛩p以適應(yīng)峰值測(cè)量電路對(duì)輸入信號(hào)的要求,信號(hào)調(diào)理模塊共有三個(gè)。

3.4.1信號(hào)調(diào)理模塊1

信號(hào)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?jí)篤REF的關(guān)系[13]:

VOUT=D×VREF/256

(1)

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(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(jiǎn)單,穩(wěn)定性好,性價(jià)比高。

圖2　信號(hào)調(diào)理1設(shè)計(jì)電路

根據(jù)計(jì)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(jì)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(hào)源部分的最終輸出端加入固定的20dB和40dB粗調(diào)電阻衰減。

為了降低DAC0832的頻率特性對(duì)不同頻率信號(hào)衰減量不一致的影響,設(shè)計(jì)中將1V的直流電壓輸入到DAC0832的參考電壓端,對(duì)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(hào)相乘,以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)掃頻信號(hào)源輸出信號(hào)的程控衰減。

3.4.2信號(hào)調(diào)理模塊2

信號(hào)調(diào)理2為電路數(shù)字控制自動(dòng)增益電路,對(duì)被測(cè)前放模塊輸出進(jìn)行放大或衰減,以匹配后續(xù)測(cè)量電路,其設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

圖3　信號(hào)調(diào)理2設(shè)計(jì)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(hào)調(diào)理。LPC2132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(cè)電路后送到A/D模塊,進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入LPC2132,從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)控自動(dòng)增益控制。LPC2132根據(jù)測(cè)量的信號(hào)大小和增益比,經(jīng)過信號(hào)處理就可以不失真的獲得輸入信號(hào)的幅度信息。

3.4.3信號(hào)調(diào)理模塊3

信號(hào)調(diào)理3作用是將信號(hào)進(jìn)行一定的放大,以適應(yīng)后續(xù)測(cè)量電路對(duì)輸入信號(hào)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(duì)信號(hào)的低噪放大。

3.5幅度增益測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

幅度增益測(cè)量模塊的核心是峰值測(cè)量電路。通過測(cè)量前放模塊輸出信號(hào)的峰值,經(jīng)過微控制器解算,實(shí)現(xiàn)幅度增益和最大不失真輸出電壓測(cè)量。此外,測(cè)量峰值電壓還用來控制自動(dòng)增益模塊。

3.5.1峰值檢測(cè)原理

最簡(jiǎn)單的峰值檢測(cè)[14]依據(jù)半波整流原理構(gòu)成電路(圖4)。在交流電壓的作用下,在正半周的峰值附近,通過二極管對(duì)電容C充電;在其它時(shí)段,電容C上的電壓將對(duì)電阻R放電。由于二極管是非線性元件,當(dāng)交流電壓較小時(shí),測(cè)量電路的直流電壓(測(cè)量的峰值)會(huì)偏離信號(hào)峰值較多。可見,峰值測(cè)量電路測(cè)量誤差與泄放電流有關(guān),僅當(dāng)泄放電流可不計(jì)時(shí),測(cè)量峰值才等于輸入信號(hào)的峰值。

圖4　峰值檢測(cè)原理

圖5　高精度峰值檢測(cè)電路

3.5.2峰值測(cè)量電路

本設(shè)計(jì)采用一種其電路改進(jìn)的高精度峰值檢測(cè)電路(圖5),具體分析如下:

1)A2為開環(huán)的差動(dòng)放大器,實(shí)現(xiàn)比較放大器功能,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(dòng)D1對(duì)電容充電,從而保證了電路的測(cè)量速度;

2) 在Vi-Vo<0時(shí),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(huì)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(shí)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。在Vi>Vo時(shí),A2輸出較大的正向電壓,使D2與D1導(dǎo)通對(duì)電容充電。在Vi

3) 為了避免次級(jí)輸入電阻的影響,檢測(cè)電路的輸出端加一級(jí)跟隨器(A1)作為隔離級(jí),從而有效地隔離次級(jí)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;

4) 為了改善電路的速度,用非線性元件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(shí),只要R3充分大,保持Vo值變化較小,對(duì)于輸入信號(hào)來說,該電路相當(dāng)于有偏置的跟隨器。若RD3可不計(jì)則輸出電壓為

Vo2?Vi-V0-VD3

(2)

Vo2的最低值為

Vo2min=-2Vp-VD3

(3)

式中Vp是輸入電壓Vi的峰值。在設(shè)計(jì)電路時(shí),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。

峰值檢波電路完成信號(hào)峰值測(cè)量后,LPC2132集成的10位A/D轉(zhuǎn)換器將測(cè)量值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,并完成幅度增益和最大不失真輸出電壓測(cè)量。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(hào)調(diào)理1設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、信號(hào)源設(shè)置模塊、幅度增益測(cè)量模塊、人機(jī)接口模塊以及存儲(chǔ)模塊等。系統(tǒng)軟件主程序流程如圖6所示。

圖6　主程序流程圖

5結(jié)語

聲納前放模塊輸入信號(hào)要求在微伏至毫伏級(jí),輸出信號(hào)由模塊自身放大指標(biāo)決定。這種輸入信號(hào)幅度小、輸出信號(hào)幅度不定的特點(diǎn)導(dǎo)致其日常的指標(biāo)檢測(cè)操作復(fù)雜、效率不高。本文利用現(xiàn)代電子技術(shù),通過分析前放模塊幅度增益指標(biāo)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)檢測(cè)電路。通過維修保障中實(shí)際應(yīng)用,該電路能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)前放模塊幅度增益指標(biāo),縮短了前放模塊測(cè)試診斷時(shí)間,提高了裝備維修保障效率。

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中圖分類號(hào)TB565

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.041

作者簡(jiǎn)介:溫連峰,男,高級(jí)工程師,研究方向:電子裝備綜合保障、水聲工程等。李耀波,男,博士,工程師,研究方向:水聲工程、電子測(cè)量等。曹黎明,男,高級(jí)工程師,研究方向:電子裝備綜合保障、聲納裝備維修等。

收稿日期:2015年9月8日,修回日期:2015年10月22日