唐　彪　李耀波　孫琎燁

(92956部隊(duì)　大連　116041)

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聲納前放模塊相位一致性檢測(cè)電路設(shè)計(jì)*

唐彪李耀波孫琎燁

(92956部隊(duì)大連116041)

摘要相位一致性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。傳統(tǒng)的測(cè)量手段需要利用常規(guī)電子儀器，操作復(fù)雜，效率低下。為了提高相位一致性檢測(cè)效率，利用現(xiàn)代電子測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)檢測(cè)電路。實(shí)際應(yīng)用證明，設(shè)計(jì)的電路能夠快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)前置放大模塊的相位一致性檢測(cè)，測(cè)量精度能夠滿足模塊參數(shù)測(cè)量的要求。

關(guān)鍵詞相位一致性; 前置放大模塊; 聲納; 電子測(cè)量

Class NumberTH89

1　引言

相位一致性是聲納前置放大模塊最重要的性能指標(biāo)之一，采用傳統(tǒng)的測(cè)量手段對(duì)其進(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)。本文利用現(xiàn)代電子測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)檢測(cè)電路。實(shí)際應(yīng)用證明，設(shè)計(jì)的電路能夠快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)前置放大模塊的相位一致性檢測(cè)，測(cè)量精度滿足模塊參數(shù)測(cè)量的要求。

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)，各通道相位不一致性指標(biāo)范圍在1.5°～6°。為實(shí)現(xiàn)對(duì)相位一致性的自動(dòng)測(cè)量，主控模塊控制程控掃頻信號(hào)源，配合相位測(cè)量模塊完成整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量過(guò)程。利用鍵盤進(jìn)行整個(gè)測(cè)量過(guò)程的控制，測(cè)量結(jié)果通過(guò)液晶顯示，實(shí)現(xiàn)了友好的的人機(jī)交互；通過(guò)I2C總線對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，在需要查看時(shí)可隨時(shí)通過(guò)讀取存儲(chǔ)器調(diào)用查看；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)的據(jù)分析、處理。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)以MCU為主控模塊，包含信號(hào)產(chǎn)生模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、相位測(cè)量模塊、存儲(chǔ)模塊和人機(jī)接口模塊等，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(chǔ)空間，具備單時(shí)鐘/機(jī)器周期工作模式，具有4個(gè)16位定時(shí)器，7路IO中斷口，2個(gè)UART，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[1～2]。該芯片的16位定時(shí)器可以滿足系統(tǒng)計(jì)時(shí)功能的要求。選用STC12C5A60S2作為主控模塊，開(kāi)發(fā)過(guò)程中能夠容易進(jìn)行程序修改，具有價(jià)格便宜、開(kāi)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]、直接頻率合成[4～5]、鎖相頻率合成[6]、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(jiǎn)單且程控調(diào)節(jié)方便，系統(tǒng)采用DDS集成芯片AD9850[7]，利用MCU通過(guò)程序控制產(chǎn)生所需頻率的正弦信號(hào)。AD9850是AD公司生產(chǎn)的DDS芯片，可產(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輸出。其接口控制簡(jiǎn)單，可以用8位并行口或串行口直接輸入頻率、相位等控制數(shù)據(jù)。32位頻率控制字，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0.2V～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(hào)，輸出幅值1V，頻率步進(jìn)10Hz。

3.3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(guò)調(diào)理才能送入測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。信號(hào)調(diào)理模塊共有3個(gè)，信號(hào)調(diào)理1、信號(hào)調(diào)理2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)相位測(cè)量電路對(duì)輸入信號(hào)的要求。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)相位測(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。

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，其設(shè)計(jì)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(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[8～9]：

(1)

式中，D即是由單片機(jī)送出的數(shù)字量，通過(guò)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

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。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。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(cè)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(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)控自動(dòng)增益控制。MCU根據(jù)測(cè)量的信號(hào)大小和增益比，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理就可以不失真地獲得輸入信號(hào)的相位信息。

3.4相位測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

3.4.1實(shí)現(xiàn)過(guò)程

相位測(cè)量模塊利用測(cè)時(shí)法進(jìn)行相位差測(cè)量，其基本原理如圖3所示。

電路中，LM339電壓過(guò)零比較器如果采用施密特觸發(fā)器可以得到的方波信號(hào)更穩(wěn)定。但這樣影響相位的測(cè)量，因此系統(tǒng)采用直接比較法，在軟件中消除零點(diǎn)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(shí)間符合TTL電平要求并消除數(shù)字波形中的毛刺?；鶞?zhǔn)、前放輸出兩路同頻信號(hào)送入LM339構(gòu)成的電壓比較器得到如圖4中U2A、U2B所示矩形脈沖，經(jīng)過(guò)整形后送入D觸發(fā)器得到如圖4中的U5A、U5B兩路波形，最后將U5A、U5B送入U(xiǎn)6得到時(shí)間差脈沖τ，利用τ即可最終解算相位差Δφ。

圖3　相位檢測(cè)電路

3.4.2相位差及極性解算

假設(shè)經(jīng)過(guò)比較整形后方波信號(hào)周期為T(圖4)，則經(jīng)過(guò)鑒相器U6A后的信號(hào)測(cè)量脈沖周期為T。測(cè)量脈沖周期T和脈沖寬度為τ，相位差計(jì)算公式為

(2)

為了進(jìn)一步判斷兩路信號(hào)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(shí)，D觸發(fā)器U7A輸出高電平，反之輸出低電平，從而實(shí)現(xiàn)相位差的極性判斷。

圖4　相位檢測(cè)電路各點(diǎn)輸出波形

3.5系統(tǒng)測(cè)量誤差分析

3.5.1鑒相處理電路誤差分析

鑒相處理電路精度取決于從信號(hào)輸入端到單片機(jī)捕獲端通過(guò)的跟隨器、電壓比較器所產(chǎn)生的相位差和時(shí)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(shí)間滯后相同。此外，設(shè)計(jì)電路中使用單片集成的運(yùn)放和比較器，一致性好，不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。由于輸入信號(hào)和運(yùn)放、比較器固有特性都可能產(chǎn)生零點(diǎn)偏移，使比較器的輸出不平衡。如果單邊沿檢測(cè)，顯然影響精度。因此，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中使用上下邊沿均測(cè)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(shí)，測(cè)量其脈寬存在轉(zhuǎn)換誤差。假設(shè)信號(hào)的干擾或噪聲幅度為Vn，信號(hào)幅度為Vm，被測(cè)信號(hào)周期為T。在正弦信號(hào)的每一個(gè)上升沿均可能產(chǎn)生出發(fā)誤差ΔTi，則有

(3)

則一個(gè)周期的隨機(jī)誤差為

(4)

將式(5)帶入式(6)，可以得到

(5)

由于干擾和噪聲均為隨機(jī)過(guò)程，通過(guò)多周期平均法可以有效降低其測(cè)量誤差。在相位差測(cè)量程序模塊中，我們采用中位值平均濾波算法，來(lái)消除隨機(jī)脈沖的干擾，同時(shí)降低轉(zhuǎn)換誤差帶來(lái)的測(cè)量隨機(jī)誤差。

3.5.2計(jì)時(shí)模塊誤差分析

計(jì)時(shí)模塊用來(lái)測(cè)量矩形脈沖的脈寬和周期，使用的單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘自于晶振，誤差可以忽略，主要誤差為脈寬、周期測(cè)量誤差。

STC12C5A60S2系統(tǒng)時(shí)鐘采用12M晶振時(shí)，在單時(shí)鐘工作模式下的計(jì)時(shí)頻率為12M，計(jì)時(shí)周期為0.083μs，根據(jù)系統(tǒng)Δφ測(cè)量精度達(dá)到1°的要求，1個(gè)周期內(nèi)(360°)12M的計(jì)時(shí)時(shí)鐘要求360個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，故：

(6)

根據(jù)式(6)得到fmax=33.3kHz，對(duì)于頻率為20kHz的信號(hào)，信號(hào)周期為50μs，當(dāng)Δφ測(cè)量精度要求達(dá)到1°時(shí)，矩形脈寬為50/360≈0.14μs，大于STC12C5A60S2系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)時(shí)周期(約0.08μs)，由于聲納前放模塊工作頻率通常小于10kHz，測(cè)量精度1°對(duì)應(yīng)的脈沖寬度應(yīng)在0.3μs以上，因此采用STC12C5A60S2作為主控模塊完全能夠滿足系統(tǒng)測(cè)相精度的設(shè)計(jì)要求。

脈寬及周期測(cè)量是在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)MCU時(shí)鐘計(jì)數(shù)，從而引入±1誤差。若最大計(jì)數(shù)誤差為ΔN，總的計(jì)數(shù)值為N，則有：

(7)

式中，Tx為閘門時(shí)間，fx為被測(cè)信號(hào)頻率。當(dāng)相位差較小時(shí)，±1誤差對(duì)測(cè)量精度影響較大。低于頻率為fx的信號(hào)，Tx增大，可以減少±1誤差對(duì)測(cè)量精度的影響。

為了減少±1誤差對(duì)測(cè)量精度的影響，計(jì)時(shí)模塊盡量增大閘門時(shí)間。測(cè)量周期時(shí)，選取Tx=1s；測(cè)量脈寬采用測(cè)量大脈寬的方法，當(dāng)占空比大于50%時(shí)測(cè)量高電平寬度；當(dāng)占空比小于50%測(cè)量低電平后與周期相減獲得高電平脈寬。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖5　主程序流程圖

系統(tǒng)的軟件部分采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各個(gè)子功能子模塊獨(dú)立。采用C語(yǔ)言編寫(xiě)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、相位測(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5所示。

5　結(jié)語(yǔ)

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)，設(shè)計(jì)了聲納前放模塊相位一致性參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠快速、高效的檢測(cè)前放模塊相位一致性參數(shù)，具有體積較小、便于攜帶、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)維修保障中實(shí)際使用表明，系統(tǒng)可靠性、測(cè)量精度均滿足前放模塊指標(biāo)檢測(cè)要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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*收稿日期：2015年10月15日,修回日期：2015年11月27日

作者簡(jiǎn)介：唐彪，男，工程師，研究方向：電子裝備綜合保障、電子測(cè)量。李耀波，男，博士，工程師，研究方向：電子裝備綜合保障、水聲工程、水聲測(cè)控技術(shù)。孫琎燁，男，碩士，工程師，研究方向：水聲電子技術(shù)、電子測(cè)量。

中圖分類號(hào)TH89

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.042

Detection Circuit Design for Phase Consistency of Sonar Pre-amplifier Module

TANG BiaoLI YaoboSUN Jinye

(No. 92956 Troops of PLA, Dalian116041)

AbstractPhase consistency is one of the most important performance indexes of pre-amplifier module. Phase consistency is important for a sonar performance whether it is normal or not. It needs to adopt conventional electronic devices if the traditional measuring means are used to test phase consistency. The traditional measuring means are complicated and inefficient. In order to improve the efficiency， a kind of automatic detection circuit is designed by use of modern electronic measurement technology. The practical application shows that the designed circuit can be achieved quickly and accurately， and the measurement accuracy can meet the requirement of the system measurement.

Key Wordsphase consistency, pre-amplifier module, sonar, electronic measurement