徐亮

（第七一五研究所，杭州，310023）

一種低功耗三維成像聲吶接收機(jī)設(shè)計(jì)

徐亮

（第七一五研究所，杭州，310023）

針對(duì)三維成像聲吶的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于三維成像聲吶系統(tǒng)中的低功耗接收機(jī)；文中給出了該聲吶系統(tǒng)中接收機(jī)的各電路組成與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)電路仿真與測(cè)試，最終結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)切實(shí)可行，滿足系統(tǒng)要求。

三維成像聲吶；接收機(jī)；放大電路

水下三維成像技術(shù)是利用聲波作為信息傳遞的載體，以各類聲學(xué)儀器為成像設(shè)備的計(jì)算機(jī)圖象顯示及分析技術(shù)；其工作原理是利用主動(dòng)發(fā)聲設(shè)備發(fā)射聲波，再由接收機(jī)接收聲波，所接收到的聲波中會(huì)攜帶水下目標(biāo)的信息，最后通過(guò)信號(hào)處理機(jī)可形成一維或多維圖像。該技術(shù)在水下探測(cè)、海底物體識(shí)別中發(fā)揮著重要的作用，具有廣泛的應(yīng)用前景。三維成像聲吶是指能夠獲得距離、水平、垂直三維空間目標(biāo)信息的聲吶。三維成像聲吶可直接獲得水下場(chǎng)景的三維圖像，立體直觀的觀察水下目標(biāo)，提高目標(biāo)信息獲取的速度以及反應(yīng)速度。

1 整體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

三維成像聲吶采用大深度定深拖曳二維面陣技術(shù)，使陣元數(shù)和相應(yīng)的接收通道數(shù)大幅度增加，硬件的數(shù)量與復(fù)雜度相應(yīng)增加。在保證通道數(shù)量與性能的同時(shí)，需滿足小體積、低功耗、高集成度的要求。接收機(jī)主要由放大電路、增益控制電路和濾波電路組成。水下基陣接收到的信號(hào)首先經(jīng)過(guò)前放電路放大，然后經(jīng)過(guò)濾波器提取所需要頻段信號(hào)，再通過(guò)增益控制電路對(duì)放大量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，增益控制信號(hào)由信號(hào)處理機(jī)經(jīng)過(guò)隔離電路接入到增益控制電路，最后通過(guò)主放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償放大。三維成像聲吶接收機(jī)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維成像聲吶接收機(jī)架構(gòu)

1.1 放大電路設(shè)計(jì)

三維成像聲吶接收機(jī)中的放大電路是針對(duì)水下陣元換能器阻抗和靈敏度性能，結(jié)合系統(tǒng)對(duì)接收信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的要求而設(shè)計(jì)的。其中，第一級(jí)前置放大電路的噪聲直接影響到整個(gè)接收通道的信噪比，對(duì)接收機(jī)噪聲性能起決定因素。電路的放大倍數(shù)決定接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，如果放大量過(guò)大，容易造成接收信號(hào)堵塞。因此應(yīng)該合理分配通道中前放電路和主放大電路的放大倍數(shù)。針對(duì)該聲吶系統(tǒng)中接收通道數(shù)多、電路板密度高的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)于運(yùn)算放大器的選型，在保證噪聲的前提條件下，應(yīng)該特別注重低功耗與小封裝選型。

此型接收機(jī)通道電路的等效輸入噪聲主要取決于前放電路的噪聲系數(shù)，前放電路采用超低噪聲運(yùn)算放大器OPA124作為第一級(jí)放大電路的芯片，該芯片在頻點(diǎn)1 kHz以上的電壓噪聲譜密度低于8 nV·Hz?1/2，電流噪聲低于1 fA·Hz?1/2。在電壓噪聲譜密度相當(dāng)?shù)那疤釛l件下，噪聲主要取決于電流噪聲。

第一級(jí)前置放大電路具體如圖2所示。電路由二級(jí)管CMPD6001S、運(yùn)放OPA124與電阻組成同相信號(hào)放大電路。二極管CMPD6001S是為了防止發(fā)射大功率信號(hào)瞬間輸出的高電壓和大電流串入到接收機(jī)中，起到對(duì)接收電路進(jìn)行保護(hù)的作用。

圖2 第一級(jí)前置放大電路

主放大電路由低功耗雙通道運(yùn)放OPA2188構(gòu)成，第一級(jí)放大5倍，第二級(jí)放大5倍，考慮到信號(hào)頻率為6～30 kHz，帶寬較寬，運(yùn)放OPA2188在頻率10～100 kHz的開(kāi)環(huán)增益衰減略大，因此采用多級(jí)放大電路將信號(hào)進(jìn)行放大，確保了電路的放大倍數(shù)。放大電路所使用運(yùn)放的理論噪聲參數(shù)如表1所示。

表1 運(yùn)算放大器噪聲譜密度

1.2 濾波器設(shè)計(jì)

濾波器采取運(yùn)算放大器與電阻、電容組成的有源濾波電路，根據(jù)聲吶系統(tǒng)的濾波特性，合理選取濾波電路形式，設(shè)計(jì)電路參數(shù)。此型接收機(jī)的濾波電路由2片雙通道運(yùn)放OPA2140構(gòu)成，表1中給出了此型運(yùn)放的噪聲系數(shù)。具體電路形式為：濾波電路的第一級(jí)由一片雙通道運(yùn)放OPA2140構(gòu)成截止頻率fc為6 kHz的四階巴特沃斯高通濾波電路；第二級(jí)由一片運(yùn)放OPA2140構(gòu)成截止頻率fc為30 kHz的四階巴特沃斯低通濾波電路；兩級(jí)濾波節(jié)構(gòu)成了6～30 kHz的有源帶通濾波器，通過(guò)電阻電容參數(shù)的設(shè)計(jì)匹配確保了接收機(jī)的工作頻響特性。在電路實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，通過(guò)選用貼片的封裝形式減小體積，在濾波電路和放大電路中選用誤差范圍為±1%的高精度COG貼片電容與貼片電阻，保證了濾波電路的濾波性能，減少了元器件的離散性給電路帶來(lái)的性能影響，確保了多通道的一致性。

1.3 增益控制電路設(shè)計(jì)

增益控制電路的實(shí)現(xiàn)由電阻衰減網(wǎng)絡(luò)和八選一多路選擇開(kāi)關(guān)ADG408構(gòu)成，采用簡(jiǎn)單的并行控制，操作方便、切換時(shí)間快，減少電磁干擾，其開(kāi)關(guān)芯片ADG408的實(shí)現(xiàn)機(jī)理是：在兩位增益控制碼（A1、A0）的控制下可以實(shí)現(xiàn)0～24 dB的衰減，每步進(jìn)約8 dB，增益控制碼由信號(hào)處理機(jī)提供；為了減小其它數(shù)字電路帶來(lái)的干擾，電路設(shè)計(jì)中采用了光耦TLP291對(duì)增益碼控制信號(hào)進(jìn)行隔離，確保了電路的程控增益控制。電路如圖3所示，增益控制碼對(duì)應(yīng)的增益如表2所示。

圖3 增益控制電路

表2 增益控制碼對(duì)應(yīng)的增益

2 低功耗設(shè)計(jì)

接收機(jī)中通道數(shù)多，每個(gè)通道的電路結(jié)構(gòu)都是相同的，在進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先盡可能的選取低功耗芯片，同時(shí)還需保證電路的性能；接收機(jī)的主要功耗為放大電路和濾波電路中所使用的運(yùn)算放大器的功耗，盡可能減少使用運(yùn)算放大器的個(gè)數(shù)，合理利用通道數(shù)量，有效整合通道資源。接收機(jī)選用的芯片在直流±5 V供電時(shí)的電流參數(shù)如表3所示，總電流約12.5 mA，考慮到其它元器件的功耗，每通道的電流不會(huì)超過(guò)15 mA。

表3 接收機(jī)中單通道電路使用的芯片電流

3 仿真與測(cè)試結(jié)果

3.1 頻響仿真與測(cè)試結(jié)果

將所設(shè)計(jì)的單通道電路進(jìn)行仿真，得到接收通道的頻響曲線如圖5所示。

圖4 接收機(jī)通道的頻響仿真曲線

接收機(jī)工作頻帶為6～30 kHz，最大增益在頻點(diǎn)15 kHz處，約為54 dB，邊頻點(diǎn)6 kHz處的增益約為53.5 dB，30 kHz的增益約為53.2 dB，帶內(nèi)起伏≤1 dB；頻點(diǎn)3 kHz處的增益約為37 dB，衰減17 dB；頻點(diǎn)60 kHz的增益約為36 dB，衰減18 dB，可滿足達(dá)到聲吶系統(tǒng)帶外一倍頻衰減＞12 dB、帶內(nèi)起伏≤2 dB的頻響特性。

3.2 噪聲仿真

為了滿足系統(tǒng)對(duì)電路噪聲的指標(biāo)要求，在電路設(shè)計(jì)中均選用了低噪聲運(yùn)放。按照每級(jí)電路所使用的運(yùn)算放大器，將電路噪聲進(jìn)行仿真估算。接收機(jī)通道電路的等效輸入噪聲主要取決于第一級(jí)放大電路的噪聲系數(shù)，采用超低噪聲OPA124運(yùn)放作為第一級(jí)放大電路的芯片，OPA2140和OPA2188的噪聲指標(biāo)也非常低。