水声信号功率放大器的设计与实现

在现代主动声纳系统中，往往需要针对不同背景噪音以及不同的要求，适时地选择信号波形，工作频率，信号时间宽度，带宽等。例如，常用的信号有单频矩形脉冲(CW)，线性调频脉冲信号(LFM)，双曲线调频信号等。不同的信号具有不同的特性。对于相同的多普勒分辨率，LFM脉冲的试验分辨能力要高于CW脉冲，而对于相同的时延分辨力，LFM则要高于CW脉冲。当目标多普勒频移较小时，相对于长CW脉冲而言，LFM脉冲具有较小的模糊面积，受到少一些的混响影响，而当目标多普勒增大时，长CW脉冲比LFM脉冲信号抗混响效果要好。
    本文所提到的水声信号发生系统采用多功能的数据采集接口板作为信号源，可以通过编写程序方便产生所需的信号。其所产生的信号稳定，精度高，并且修改容易，通用性强。但由于要直接产生满足要求的正弦信号具有很大难度，所以产生的都是矩形信号，而且信号的幅度、功率均很小。为解决这一问题，这里提出了功率放大电路，将数据采集接口板产生的矩形信号转换为正弦信号，并进行幅度和功率放大，以满足换能器对信号的要求。

1 总体设计
   
    由式(3)可以得出以下结论：周期信号的傅氏变换在各谐波频率处是一个无限长的等间距的冲击序列。周期函数具有离散的傅氏变换频谱。如能设计一电路将矩形周期信号的基频谐波分量分离出来，便达到了将矩形周期信号转换为正弦信号的目的。图1为系统总体框图。

    由于上级电路产生的矩形信号幅度很小，所以先通过前置放大模块进行初步幅度放大和滤波。前置放大模块的放大增益可控。PC机通过RS232接口与单片机通信，单片机接收到PC机发出的信息后，再通过调整电阻网络调整增益。这样整个系统最终的输出信号幅度便可以通过PC机控制。矩形信号经过巴特沃思滤波器滤波后转换为正弦信号，再经过放大滤波，便可传给大功率运放转换为大功率信号。最后通过变压器驱动换能器以产生声信号。

2 电路设计
    该电路按如前所述的功能，可以将其划分为串口通信模块、前置放大模块、巴特沃思低通滤波模块以及大功率运放模块。
2．1 串口通信模块
    系统通过标准RS232接口与PC机进行通信。该串口通信模块的核心是单片机AT89C52，其带有一个UART(通用异步收发器)。用UART实现串口通信非常容易，其收发协议与标准RS232接口是一致的，只是在电气特性上有差异：UART采用的是CMOS电平，而RS232接口则采用RS232电平。因此该电路采用了MAX202电平转换器来转换电平。其电路图如图2所示。

    该串口通信模块除了MAX202外，单片机还外接复位芯片X25045。当超过设定时间没有得到单片机输出的复位信号，X25045将通过复位口对单片机复位，以提高单片机系统的抗干扰性能。在编写单片机程序时要特别注意对X25045的复位。另外，单片机通过并口控制3个模拟开关芯片4066，共12条线路的通断。当单片机收到来自PC机的信息后，选通不同的通路，等于将不同的电阻连接到运放输入端与输出端之间，便达到调整前置放大模块增益的目的。根据单片机多机通信特点，PC机如果要与指定的单片机实现点对点通信，必须满足下列条件：PC机串口信息帧格式应同单片机一致，包括1位起始位、1位停止位、8位数据位1个第9位，本系统选定波特率为9 600b／s。单片机所需程序的流程图如图3所示。单片机的主要工作就是响应串口中断，当有信号由串口传来，单片机接收并识别内容，然后按照内容将事先安排好的控制位拉高，达到选通某一路模拟开关的作用。

2．2 前置放大模块
    由于该部分电路只是对信号进行预处理，采用由运放、电阻和电容组成的放大电路，如图4所示。

    图4中运放、电阻和电容构成带通滤波器，通带为f1<f<f2(f1=1／2πR1C1，f2=1／2πR2C2)。在通带内，放大器的增益约等于-R2／R1。信号由反向端输入，按照设定的增益进行放大，同时滤除其低频和高频部分的噪声信号。
    在实际电路中就是通过调节R2的值达到调整放大增益的目的，图5为前置入大器电路。实际电路中，运放的输出端并联了12个不同阻值的电阻。同时，电阻另一端分别与模拟开关的12个输入端相连，而所有模拟开关的12个输出端都与运放反向输入端相连。

2．3 巴特沃思低通滤波器
    巴特沃思又称为最平的滤波器，其具有带通内极大平坦，过渡带与阻带单调性良好等特点。随着阶数的增加其特性更接近理想等优点，因此成为信号处理中应用最广泛的几种滤波器之一。为了使输出的正弦信号不出现失真，同时保留原有信号的幅度信息，因此需要滤波器带通内增益平坦无波动，所以采用巴特沃思滤波器。这里通过集成滤波器MF6实现6阶巴特沃思低通滤波器。
    MF6是6阶巴特沃思低通滤波器，其工作频率范围是0．1～10 kHz。由于采用了交换电容技术，MF6工作时所需的外设很简单，MF6的截断频率fs是通过一个外界输入的参考频率fi进行调节。fi是频率为fs的1／100或1／50符合TTL或CMOS电平的时钟信号。参考信号的电平类型可通过控制位进行控制。当参考频率为125 kHz时，实测截断频率为1．25 kHz。其通带内平坦，带外衰减线性程度好，满足要求。
    当前一级的数据采集接口板产生信号时，同时还会产生一个原信号频率适当倍数的参考信号。在该电路中，MF6的截断频率设在信号的一次谐波频率与二次谐波频率之间。由于周期信号具有离散频谱，一次谐波频率位于通带内，其他谐波则被衰减。因此通过其滤波后，矩形信号便转化为同频率的正弦波。
2．4 大功率运放
    大功率运放电路是以集成大功率运算放大器LM12为核心，辅以外围电路构成，电路图如图6所示。

    信号经过巴特沃思滤波器滤波后转化为具有正弦形式的信号，再经过两级由LF353运放组成的带通滤波器，进一步滤除低频与高频部分噪声。LM12CLK是一种大功率运算放大器，在外接4 Ω负载时，最大输出功率可达80 W。并且外围电路简单，运用方便。信号经过滤波电容以及两个电阻进行分压和阻抗匹配后进入正相输入端。反馈电阻并联电容，使其具有低通滤波，滤除高频分量的作用。同时在输出端与电源之间连接输出夹断二极管，如图6所示。若LM12CLK外接电感式负载，当输出达到电源电压限制时，电感中储存的能量可能使输出电压超过电源电压。因此为了防止电流倒流，二极管是非常必要的。该电路的放大增益由反相输入端的两个电阻的比值决定。该部分电路通过Tektronix2022 示波器实测波形，结果如图7所示。

    图7(a)是小信号工作时实测波形，2通道低幅度信号(50 mV／格)为输入信号，1通道高幅度信号(50 mV／格)为输出。从图中可以看出，该电路能将小信号不失真地放大。图7(b)是大信号工作时实测波形，2通道(1 V／格)表示输入信号，1通道(5 V／格)为输出信号，由图可见，当输入信号不断增加，输出信号的幅度超过电源幅度时，由于二极管的稳压作用，输出信号被限幅，不能超过12 V，以防止电流倒流。

3 结论
    根据以上原理，设计并实现了各个具体的电路，经过硬件调试，并编制相应的控制软件，成功实现程控增益调节，硬件电路工作正常稳定。经反复调整元件参数，当输入为0．1～10 kHz的矩形信号时，输出为同频率的正弦信号。输出信号稳定，除小于0．5 kHz的低频段外无明显失真，信号最大增益大于54 dB，达到设计要求。事实证明该巴特沃思滤波器幅频特性通带内平滑，衰减带内单调性良好，只要截断频率设置合理，完全可以滤出信号的基频分量，将矩形信号转换为正弦信号。以前的信号产生方式是通过RC电路直接得到正弦波，但信号频率随温度和时间的漂移较大，由于通过晶体振荡器可以得到频率稳定度很高的矩形信号，这种由矩形波得到正弦波的方式极大地改善了信号源的性能。同时，通过单片机的定时器可以很方便地得到一个指定频率的矩形信号，如果对频率的分辨率要求不是特别高，可以很方便地由单片机和滤波器构成信号发生电路，简化电路设计和成本。