CN107528559A - 低噪声信号调理电路 - Google Patents

低噪声信号调理电路 Download PDF

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Abstract

本申请揭示了一种低噪声信号调理电路，该低噪声信号调理电路包括：低噪声放大电路，对接收到的信号进行第一次放大；TVG电路，对低噪声放大电路放大的信号进行增益处理；第二级放大电路，对TVG电路增益处理后的信号进行第二次放大；带通滤波电路，对第二级放大电路放大后的信号进行滤波处理；MGC电路，对带通滤波电路滤波处理后的信号进行增益处理；第三级放大电路，对MGC电路增益后的信号进行放大；射极跟随电路，降低第三级放大电路放大后的信号的输出阻抗，并将信号转成差分信号。本申请可实现对多路水声微弱模拟信号进行调理放大预处理，具有信号处理动态范围大，多路相位、幅度一致性好、短路噪声小等特点。

Description

低噪声信号调理电路
技术领域
本发明属于水声信号检测技术领域，尤其涉及一种低噪声信号调理电路。
背景技术
随着现代科学技术的发展，声纳已成为当前水下探测目标的主要设备。前置信号调理电路是声纳接收机系统的重要组成部分，声纳接收机系统的前置信号调理电路性能的优劣直接影响到声纳对目标探测的性能。现实中，由于受到声纳探测目标回波信号源的距离不定及声波信号在水中传播过程中衰减等因素的影响，在声纳接收机系统的前置调理接收端接收到的信号强度往往还很微弱且有很大的变化和起伏，通常在uV～mV之间变化。而声纳接收机系统的信号处理机一般只能处理电压幅度在mV～V级范围内变化的接收信号，这就需要求前置信号调理电路能对微弱模拟信号预先进行放大、动态范围压缩、频带限定，最终输出满足后级处理要求的模拟信号，调理后送往A/D转换器，转换为数字信号进行后级处理。传统分立元件信号调理电路往往自噪声较大，电路信号检测能力一般在几百uV以上，电路动态范围较小从而影响了强声纳接收机的检测性能，限制了声纳性能的发挥。
传统技术存在的缺陷是前置调理放大电路短路噪声较大，最小信号检测能力弱，电路动态范围小、多路一致性较差，影响了后级电路的信号检测能力。
发明内容
为了解决相关技术中前置调理放大电路短路噪声较大，最小信号检测能力弱，电路动态范围小、多路一致性较差，导致影响后级电路的信号检测能力的技术问题，本发明提供了一种低噪声信号调理电路，其可实现对多路水声微弱模拟信号进行调理放大预处理，且支持通过选择外部功能检测电路输入模拟信号对电路性能进行检测，具有信号处理动态范围大，多路相位、幅度一致性好、短路噪声小等特点。
本发明的技术方案：一种低噪声信号调理电路，所述低噪声信号调理电路包括低噪声放大电路、时间增益控制(英文：time-varied gain control，简称：TVG)电路、第二级放大电路、带通滤波电路、手动增益控制(英文：manual gain control，简称：MGC)电路、第三级放大电路和射极跟随电路，其中：
所述低噪声放大电路用于对接收到的信号进行第一次放大；
所述TVG电路的输入端与所述低噪声放大电路的输出端相连，用于对所述低噪声放大电路放大的信号进行增益处理；
所述第二级放大电路的输入端与所述TVG电路的输出端相连，用于对所述TVG电路增益处理后的信号进行第二次放大；
所述带通滤波电路的输入端与所述第二级放大电路的输出端相连，用于对所述第二级放大电路放大后的信号进行滤波处理；
所述MGC电路的输入端与所述带通滤波电路的输出端相连，用于对所述带通滤波电路滤波处理后的信号进行增益处理；
所述第三级放大电路的输入端与所述MGC电路的输出端相连，用于对所述MGC电路增益后的信号进行放大；
所述射极跟随电路的输入端与所述第三级放大电路的输出端相连，用于降低所述第三级放大电路放大后的信号的输出阻抗，并将所述信号转成差分信号。
可选的，所述低噪声信号调理电路还包括双路选择开关，所述双路选择开关与所述低噪声放大电路的输入端连接，所述双路选择开关的第一开关闭合后，所述低噪声放大电路的输入端接收工作状态下声纳换能器接收的信号，所述双路选择开关的第二开关闭合后，所述低噪声方法电路的输入端接收校正状态下模拟输入电压。
可选的，所述低噪声信号调理电路还包括控制码电路，所述控制码电路分别与所述TVG电路和所述MGC电路相连，所述控制码电路为所述TVG电路提供七位控制码，步距为0.75dB，使所述TVG电路的增益调节控制范围为0～-88.5dB；
所述控制码电路为所述MGC电路提供六位控制码，步距为1.5dB，使所述MGC电路的增益调节最大控制范围为0～-88.5dB。
可选的，所述第二级放大电路和所述第三级放大电路具有同相比例放大器。
可选的，所述第二级放大电路对所述第二级放大电路接收到的信号放大40倍，所述第三级放大电路对所述第三级放大电路接收到的信号放大101倍。
可选的，所述带通滤波电路为八阶有源滤波器。
可选的，所述带通滤波电路为由四个级联的二阶单元构成的八阶巴特沃斯带通滤波器。
可选的，所述射极跟随电路包括阻抗降低单元和差分转换单元，所述差分转换单元的输入端与所述阻抗降低单元的输出端相连，所述阻抗降低单元用于降低所述第三级放大电路放大后的信号的输出阻抗，所述差分转换单元用于将所述阻抗降低单元输出的信号转成差分信号并输出。
可选的，所述低噪声信号调理电路还包括供电电路，所述供电电路为所述低噪声放大电路、所述TVG电路、所述第二级放大电路、所述带通滤波电路、所述MGC电路、所述第三级放大电路和所述射极跟随电路供电，所述供电电路的各个供电端均设置有电容滤波电路。
本发明的有益效果为：通过在信号调理电路中增加三个放大电路，低噪声放大电路的放大增益为31倍，用于放大前端接收到的微弱信号；第二级放大电路的放大增益为40倍，用于给滤波器提供适合的输入信号；第三级放大电路的放大增益为101倍，用于进一步提高系统的整体增益。3级级联放大保证了系统总体增益高达100dB并可在0～100dB内手动调节。带通滤波电路在系统中主要起降低噪声、滤除带外干扰、提高整机稳定性的作用。射极跟随电路主要用于降低输出阻抗，并将单端信号变为差分信号，以便A/D转换器采集数据。
另外，本发明可以实现对2～9kHz频率范围内多路信号输入幅度为10uV～10mV范围内的模拟信号进行放大预处理，通道放大量可达1×105，等效短路噪声不大于5uV；多路信号输出幅度不均匀性小于1.5dB；输出相对相移不大于6°；具备不小于60dB的TVG和MGC增益控制功能和工作、校准转换功能。输出幅度为±10V时输出电压波形不失真。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明根据一示例性实施例提供的低噪声信号调理电路的结构示意图；
图2是本发明根据一示例性实施例提供的低噪声放大电路的示意图；
图3是本发明根据一示例性实施例提供的TVG时间增益控制电路的示意图；
图4是本发明根据一示例性实施例提供的MGC时间增益控制电路的示意图；
图5是本发明根据一示例性实施例提供的第二级放大电路的示意图；
图6是本发明根据一示例性实施例提供的第三级放大电路的示意图；
图7是本发明根据一示例性实施例提供的带通滤波电路的示意图；
图8是本发明根据一示例性实施例提供的射极输出与差分电路的示意图；
图9是本发明根据一示例性实施例提供的供电电路的示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本发明提出一种低噪声信号调理电路，该低噪声信号调理电路的前端接收声纳换能器传来的模拟信号，信号经低噪声放大、带通滤波、增益控制后得到稳定的输出。
请参见图1所示，其是本发明根据一示例性实施例提供的低噪声信号调理电路的结构示意图，该低噪声信号调理电路主要由低噪声放大电路(英文：Low Noise Amplifier，简称：LNA)110、增益控制电路(包括TVG电路120和MGC电路150)、第二级放大电路130、带通滤波电路140、第三级放大电路160、射极跟随电路170等部分组成。
低噪声放大电路110用于对接收到的信号进行第一次放大；TVG电路120的输入端与低噪声放大电路110的输出端相连，用于对低噪声放大电路110放大的信号进行增益处理；第二级放大电路130的输入端与TVG电路120的输出端相连，用于对TVG电路120增益处理后的信号进行第二次放大；带通滤波电路140的输入端与第二级放大电路130的输出端相连，用于对第二级放大电路130放大后的信号进行滤波处理；MGC电路150的输入端与带通滤波电路140的输出端相连，用于对带通滤波电路140滤波处理后的信号进行增益处理；第三级放大电路160的输入端与MGC电路150的输出端相连，用于对MGC电路150增益后的信号进行放大；射极跟随电路170的输入端与第三级放大电路160的输出端相连，用于降低第三级放大电路160放大后的信号的输出阻抗，并将信号转成差分信号。
一般放大器在放大倍数较高时很容易自激，因此，本系统采用了3级放大形式，包括低噪声放大电路110的1级放大，第二级放大电路130的2级放大，以及第三级放大电路160的3级放大。低噪声放大电路110的l级放大增益为31倍，用于放大前端接收到的微弱信号；第二级放大电路130的2级放大增益为40倍，用于给滤波器提供适合的输入信号；第三级放大电路160的3级放大增益为101倍，用于进一步提高系统的整体增益。3级级联放大保证了系统总体增益高达100dB并可在0～100dB内手动调节。带通滤波电路140在系统中主要起降低噪声、滤除带外干扰、提高整机稳定性的作用。射极跟随电路170主要用于降低输出阻抗，并将单端信号变为差分信号，以便A/D转换器采集数据。
低噪声放大电路110在声纳接收机系统中处于前端位置，其性能指标的好坏对接收机整体性能有很大影响。式(1)为表征级联放大系统噪声系数的弗里斯公式：
式中F1、F2….Fn为各级放大电路的噪声系数，G1、G2….Gn-1为各级放大电路的增益。由上式可知，影响接收机系统噪声性能的主要是第一级，所以在系统设计时，前级放大电路应尽量选择噪声系数小的运放并尽可能大地提高其增益。
为降低系统噪声，本发明选用BB公司的低噪声运放芯片INA103，该芯片的电压噪声为电流噪声增益带宽级6MHz。
图2是本发明根据一示例性实施例提供的低噪声放大电路的示意图，图2中，低噪声放大电路110的放大倍数可以为31倍，D1、D2两个反向二极管起保护作用，防止接收机过载，为避免电源引入过多噪声，INA103正负电源输入端均采用大电容加小电容加强滤波。此外，该低噪声信号调理电路还包括双路选择开关(即图2中的S2)，双路选择开关与低噪声放大电路110的输入端连接，其中，双路选择开关的第一开关s1闭合后，低噪声放大电路的输入端接收工作状态下声纳换能器接收的信号，双路选择开关的第二开关s2闭合后，低噪声方法电路的输入端接收校正状态下模拟输入电压。
在实际应用中，由于海洋环境复杂多变，接收机接收的信号强弱变化范围很大，信号强度可以从几微伏至几毫伏，相差几十分贝。如果接收机增益不变，则容易造成强信号的堵塞或弱信号的丢失。因此需要设计良好的增益控制电路调节各通道放大倍数，使输出信号的幅度保持不变或只有很小的变化。
TVG电路120和MGC电路150是低噪声信号调理电路的两个重要组成部分，它们的基本作用是：当输入信号的幅度在很大范围内变化时，控制放大器的增益，使输出信号的幅度保持不变或只有很小的变化。前置电路通道增益变化范围称为动态增益范围，简称动态范围。接收机要保证有一定的动态范围来控制输出信号的幅度，保证其后的信号采集电路能正常工作。
TVG是随着时间的推进而不断增加电路增益的控制。由于声波能量是随着传播距离的增加而衰减的。因而TVG可以增加远场信号的放大量，同时也就可以降低近场噪声的干扰，而能否有效增加回波信号放大量、降低噪声干扰是接收电路性能高低的表现，所以TVG在电路中有着重要的作用。由于混响和发射信号都对接收机有较强的影响，并且二者的强度都是随时间做指数衰减，为了控制混响和发射信号对接收机产生的干扰，需要设计一个放大倍数随时间做指数增加的时变增益放大器。
同时为了便于声纳操作员便于观察判别目标，电路中信号经第二级放大带通滤波之后设置了一级MGC，实现手动增益控制。可以根据目标回波信号的强弱手动对前置调理通道放大量进行调节。
电路设计使用了两片美国AD公司生产的对数衰减器AD7111，分别实现对各通道的TVG和MGC。
AD7111是一种CMOS乘法D/A转换器，器件的频率范围可以从直流到几百千赫兹。它可以对模拟输入信号以0.375dB的步长在0～88.5dB范围内进行衰减控制，衰减的幅度是由8位数据决定的。控制信号包括和8位数据信号(D0-D7)，它内部集成了缓存器、解码器和锁存器。
AD7111涉及的电路说明如下：
1.AD7111的控制信号是由写信号和数据信号D0～D7构成的。AD7111有一个锁存器，它具有记忆功能，因此要使它能够读入数据信号D0-D7需要一个低电平的写信号来控制，把它和并联在一起，同时可以清零。
2.写入信号数据信号D0-D7在和后级数字系统级联时是由后级数字系统提供的。
3.如图3所示，TVG电路120共有7位控制码(TD6～TD0)，步距为0.75dB，控制范围0～-88.5dB；如图4所示，MGC电路150共有6位增益控制码(MD5～MD0)，步距为1.5dB，控制范围0～-88.5dB；增益调节最大控制范围为0～-88.5dB。此时，低噪声信号调理电路还包括控制码电路180，该控制码电路180分别与TVG电路120和MGC电路150相连，请参见图1所示，控制码电路180为TVG电路120提供上述七位控制码，控制码电路180为MGC电路150提供上述六位控制码。
图5是本发明根据一示例性实施例提供的第二级放大电路的示意图，图6是本发明根据一示例性实施例提供的第三级放大电路的示意图，第二级放大电路130和第三级放大电路160具有同相比例放大器。进一步的，第二级放大电路130对第二级放大电路130接收到的信号放大40倍，第三级放大电路160对第三级放大电路160接收到的信号放大101倍。
图7是本发明根据一示例性实施例提供的带通滤波电路的示意图，带通滤波电路140为八阶有源滤波器，本实施例中带通滤波电路140选用MAX274八阶有源滤波器，其输出噪声比开关电容滤波器低，而动态特性更好。进一步的，带通滤波电路140为由四个级联的二阶单元构成八阶巴特沃思带通滤波器，带宽为2KHz～9KHz。
本申请中，射极跟随电路170包括阻抗降低单元和差分转换单元，差分转换单元的输入端与阻抗降低单元的输出端相连，阻抗降低单元用于降低第三级放大电路放大后的信号的输出阻抗，差分转换单元用于将阻抗降低单元输出的信号转成差分信号并输出。
在实际应用中，水声信号经过多级调理放大后最后经过射极输出，射极输出具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点，增强了电路的带负载能力。最后通过差分转换单元(比如图8中的差分转换器SSM2142S)转成差分信号输出。采用差分输入输出，可以抗外界的电磁干扰，有利于识别微小信号。
低噪声信号调理电路还包括供电电路190，请参见图1所示，供电电路190为低噪声放大电路110、TVG电路120、第二级放大电路130、带通滤波电路140、MGC电路150、第三级放大电路160和射极跟随电路170供电，供电电路190的各个供电端均设置有电容滤波电路。进一步的，供电电路190还为控制码电路180供电。
图9是本发明根据一示例性实施例提供的供电电路的示意图，供电电路190中选用低噪声集成芯片，在芯片电源供电端均增加了有效的电容滤波电路，使得整个电路的自噪声大幅降低，经测试电路噪声可达0.15μV以下，该系统能有效实现对水声回波信号的放大、滤波和时间、手动增益控制，且各通道幅度和相位一致性良好，动态范围大，性能稳定，噪声小且功耗低,具有良好的应用前景。
综上所述，本发明实施例提出的低噪声信号调理电路，通过在信号调理电路中增加三个放大电路，保证了系统总体增益高达100dB并可在0～100dB内手动调节；带通滤波电路在系统中主要起降低噪声、滤除带外干扰、提高整机稳定性的作用；射极跟随电路主要用于降低输出阻抗，并将单端信号变为差分信号，以便A/D转换器采集数据。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种低噪声信号调理电路，其特征在于，所述低噪声信号调理电路包括低噪声放大电路、时间增益控制TVG电路、第二级放大电路、带通滤波电路、手动增益控制MGC电路、第三级放大电路和射极跟随电路，其中：
所述低噪声放大电路用于对接收到的信号进行第一次放大；
所述TVG电路的输入端与所述低噪声放大电路的输出端相连，用于对所述低噪声放大电路放大的信号进行增益处理；
所述第二级放大电路的输入端与所述TVG电路的输出端相连，用于对所述TVG电路增益处理后的信号进行第二次放大；
所述带通滤波电路的输入端与所述第二级放大电路的输出端相连，用于对所述第二级放大电路放大后的信号进行滤波处理；
所述MGC电路的输入端与所述带通滤波电路的输出端相连，用于对所述带通滤波电路滤波处理后的信号进行增益处理；
所述第三级放大电路的输入端与所述MGC电路的输出端相连，用于对所述MGC电路增益后的信号进行放大；
所述射极跟随电路的输入端与所述第三级放大电路的输出端相连，用于降低所述第三级放大电路放大后的信号的输出阻抗，并将所述信号转成差分信号。
2.根据权利要求1所述的低噪声信号调理电路，其特征在于，所述低噪声信号调理电路还包括双路选择开关，所述双路选择开关与所述低噪声放大电路的输入端连接，所述双路选择开关的第一开关闭合后，所述低噪声放大电路的输入端接收工作状态下声纳换能器接收的信号，所述双路选择开关的第二开关闭合后，所述低噪声方法电路的输入端接收校正状态下模拟输入电压。
3.根据权利要求1所述的低噪声信号调理电路，其特征在于，所述低噪声信号调理电路还包括控制码电路，所述控制码电路分别与所述TVG电路和所述MGC电路相连，所述控制码电路为所述TVG电路提供七位控制码，步距为0.75dB，使所述TVG电路的增益调节控制范围为0～-88.5dB；
所述控制码电路为所述MGC电路提供六位控制码，步距为1.5dB，使所述MGC电路的增益调节最大控制范围为0～-88.5dB。
4.根据权利要求1所述的低噪声信号调理电路，其特征在于，所述第二级放大电路和所述第三级放大电路具有同相比例放大器。
5.根据权利要求4所述的低噪声信号调理电路，其特征在于，所述第二级放大电路对所述第二级放大电路接收到的信号放大40倍，所述第三级放大电路对所述第三级放大电路接收到的信号放大101倍。
6.根据权利要求1所述的低噪声信号调理电路，其特征在于，所述带通滤波电路为八阶有源滤波器。
7.根据权利要求6所述的低噪声信号调理电路，其特征在于，所述带通滤波电路为由四个级联的二阶单元构成的八阶巴特沃斯带通滤波器。
8.根据权利要求1所述的低噪声信号调理电路，其特征在于，所述射极跟随电路包括阻抗降低单元和差分转换单元，所述差分转换单元的输入端与所述阻抗降低单元的输出端相连，所述阻抗降低单元用于降低所述第三级放大电路放大后的信号的输出阻抗，所述差分转换单元用于将所述阻抗降低单元输出的信号转成差分信号并输出。
9.根据权利要求1至8中任一所述的低噪声信号调理电路，其特征在于，所述低噪声信号调理电路还包括供电电路，所述供电电路为所述低噪声放大电路、所述TVG电路、所述第二级放大电路、所述带通滤波电路、所述MGC电路、所述第三级放大电路和所述射极跟随电路供电，所述供电电路的各个供电端均设置有电容滤波电路。
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