CN108768340A - 一种lc选频滤波声呐接收电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种所述LC选频滤波声呐接收电路包括模拟信号输入端、射级跟随缓冲器、一级LC选频放大器、变压放大器、二级LC选频放大器、单端变双端(差分输出)器、对数放大及检波器、以及检波信号输出端。模拟小信号经过射极跟随器进行缓冲，信号经过一级LC选频放大器第一次谐振滤波之后通过变压器进行初级放大得到有一定幅值的模拟信号，而后通过二级选频放大器再次进行谐振滤波，得到可检波的信号。所述可检波的信号经过单端差分变器换变换成符合对数放大及检波器的差分信号，经过对数放大及检波器进行检波，检波后信号发送至MCU进行AD转换和数据分析处理。可以有效避免系统遭受外界噪声影响，提高接收系统的信噪比。
Description
技术领域
本发明属于声呐系统领域，尤其涉及一种LC选频滤波声呐接收电路。
背景技术
在水中进行观察和测量，具有得天独厚条件的只有声波。这是由于其他探测手段的作用距离都很短，光在水中的穿透能力很有限，即使在最清澈的海水中，人们也只能看到十几米到几十米内的物体；电磁波在水中也衰减太快，而且波长越短，损失越大，即使用大功率的低频电磁波，也只能传播几十米。然而，声波在水中传播的衰减就小得多，在深海声道中爆炸一个几公斤的炸弹，在两万公里外还可以收到信号，低频的声波还可以穿透海底几千米的地层，并且得到地层中的信息。在水中进行测量和观察，至今还没有发现比声波更有效的手段。
因此以声波探测水面下的人造物体成为运用最广泛的手段。距今为止，声波可以说是水下信息传递的最有效载体，而利用声波的声呐系统也自然成为水下目标探测、定位、跟踪、识别以及通信等应用的首选工具，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。无论是潜艇或者是水面船只，都利用这项技术的衍生系统，探测水底下的物体，或者是以其作为导航的依据。
作远距离传输的能量形式。于是探测水下目标的技术——声呐技术便应运而生。声呐是SONAR一词的译称(旧译为声呐)，SONAR是SoundNavigationandRanging(声音导航测距)的缩写。声呐技术已有100年历史，是1906年由英国海军的刘易斯·尼克森发明的。他发明的第一部声呐仪是一种被动式的聆听装置，主要用来侦测冰山。这种技术在第一次世界大战中被应用到战场上，用来侦测潜藏在水底的潜水艇。从潜艇探测到鱼雷、水雷探测，从主动测量到主被动联合探测，从中频到高频和低频，从机械扫描到相控阵，从平面阵到线列阵和共形阵，从常规脉冲到脉冲压缩、单脉冲、合成孔径、逆合成孔径，从舰载到艇载、机载，从单基地到双、多基地，从单独作战到分布式组网，从预警监视到定位识别、跟踪火控、测深规避、通信导航、水声对抗，从声感知到雷达、激光、磁异探测异质联合，从军用到民用，声呐技术装备不断演进。同时，在人工智能、信号处理和工艺材料等基础能力的推动和认知、MIMO等新型体系架构方式的牵引下，声呐系统将在功能和性能领域不断拓展。
目前，声呐是各国海军进行水下监视使用的主要技术，用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪；进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用。此外，声呐技术还广泛用于鱼雷制导、水雷引信以及鱼群探测、海洋石油勘探、船舶导航、水下作业、水文测量和海底地质地貌的勘测等多方面。
进入21世纪后，各国海军根据自身需求加强了对未来海军发展战略的论证，提出未来几十年海军装备建设的发展途径和设想，声呐系统成为重要的组成部分。从第二次世界大战开始到现在，潜艇声呐系统进入高速发展时期，我国目前已有多种水面舰和潜艇投入装备使用。这些舰艇均装备了不同类型的声呐装备，在探潜、测深、避障、探雷等方面起重要作用。舰壳声呐通过发射声波，并根据反射声波的时间延迟、方位和强度等信息实现对目标的识别和探测。
声呐装置一般由基阵、电子机柜和辅助设备三部分组成。基阵由水声换能器以一定几何图形排列组合而成，其外形通常为球形、柱形、平板形或线列行，有接收基阵、发射机阵或收发合一基阵之分。电子机柜一般有发射、接收、显示和控制等分系统。辅助设备包括电源设备、连接电缆、水下接线箱和增音机、与声呐基阵的传动控制相配套的升降、回转、俯仰、收放、拖曳、吊放、投放等装置，以及声呐导流罩等。
换能器是声呐中的重要器件，它是声能与其它形式的能如机械能、电能、磁能等相互转换的装置。它有两个用途：一是在水下发射声波，称为“发射换能器”，相当于空气中的扬声器；二是在水下接收声波，称为“接收换能器”，相当于空气中的传声器(俗称“听筒”)。换能器在实际使用时往往同时用于发射和接收声波，专门用于接收的换能器又称为“水听器”。换能器的工作原理是利用某些材料在电场或磁场的作用下发生伸缩的压电效应或磁致伸缩效应。
现有技术中，声呐接收电路多是应用运放做信号接收滤波放大，由于应用运放做低频滤波、有源带通滤波矩形系数比较差，当声呐在水中工作时候，很容易受到船舶、发动机等外部噪声影响，影响声呐接收信号的噪音水平。
发明内容
本发明通过应用分立器件进行LC调谐放大，带通滤波可以做到4KHz，可以有效避免系统遭受外界噪声影响，在同等放大基础下提高接收系统的信噪比。
本发明提供一种选频滤波声呐接收电路，其特征在于：包括射级跟随缓冲器、单端变双端差分输出器、对数放大及检波器、LC选频放大器组；其中，
所述射级跟随缓冲器接收模拟小信号输入，作为后级放大滤波的缓冲；
所述单端变双端差分输出器对放大滤波后的信号取出幅值相等相位相反的差分信号；
所述对数放大及检波器对所述差分信号放大检波，发送MCU处理；
所述LC选频放大器组包括为至少两个分立的LC选频放大器。
优选地，所述至少两个分立的LC选频放大器组包括一级LC选频放大器和二级LC选频放大器。
优选地，所述LC选频放大器组还包括变压放大器。
优选地，缓冲后的输入信号经过所述一级LC选频放大器第一次谐振滤波之后通过所述变压放大器进行初级放大得到有一定幅值的模拟信号，而后通过所述二级选频放大器再次进行谐振滤波，得到所述放大检波后的信号。
优选地，所述射级跟随缓冲器为高输入阻抗低输出阻抗射级跟随器。
优选地，所述LC选频放大器组带通滤波范围为4KHz。
优选地，所述一级LC选频放大器包括放大电路和LC选频电路。
优选地，所述LC选频电路包括一变压器T4和谐振电容，所述LC选频电路谐振频率为声呐工作频率120KHz。
优选地，所述射级跟随缓冲器至少包括：两个晶体管Q13、Q14，10个电阻R55、R61、R62、R65、R66、R67、R69、R70、R71、R74，以及7电容C52、C53、C66、C76、C78、C79、C82。
优选地，晶体管Q13具有栅极、漏极和源极，栅极连接模拟信号输入；电阻R69一端连接所述漏极，另一端分别连接电阻R67、电阻R74、电容C78的一端，电阻R67另一端接入电源VLNA，电阻R74、电容C78的另一端结地电源AGND；电阻R70、电容C82连接于所述源极与地电源AGND之间；电阻R61连接于所述漏极与电源VLNA之间；电容C52、C53连接于电源VLNA与地电源AGND之间；电容C70连接于所述漏极与晶体管Q13基极之间；电阻R62连接于电源VLNA与晶体管Q13基极之间；电容C76连接于晶体管Q13基极与地电源AGND之间；电阻R71连接于晶体管Q13发射极与地电源AGND之间；电阻R55连接于晶体管Q13集电极与电源VLNA之间；电阻R65连接于晶体管Q13集电极与输出端之间；电容C66连接于晶体管Q13集电极与地电源AGND之间；电容C75连接于晶体管Q13发射极与输出端之间；电容C79连接于输出端与地电源AGND之间。
优选地，所述一级LC选频放大器包括一个晶体管Q15，四个电阻R57、R63、R72、R76，4个电容C58、C81、C83、C84，和一个变压器T4。
优选地，晶体管Q15基极接入上级输入信号；电阻R76、电容C84并联之后与R72串联接入晶体管Q15发射极与地电源AGND之间，其中R72连接晶体管Q15发射极端；变压器T4包括初级绕组和次级绕组，初级绕组一端连接晶体管Q15集电极端，另一端串接电容C62与初级绕组所述一端连接，初级绕组中间引线连接3VA电源；电容C58连接于3VA电源与地电源AGND之间；次级绕组中间引线连接地电源AGND,次级绕组的与初级绕组的所述另一端的同名端通过电阻R57连接3VA电源、通过电容C83连接地电源AGND，次级绕组的与初级绕组的所述一端的同名端作为输出端。
优选地，所述二级LC选频放大器电路结构与所述一级LC选频放大器电路结构相同。
优选地，所述单端变双端差分输出器包括三极管结构，所述对数放大及检波器包括AD8301，单端输入信号经过三极管结构，在发射极、集电极分别取出幅值相等相位反相的差分信号，所述差分信号经过AD8301对数放大检波得到有效的包络信号供MCU分析处理。
优选地，所述单端变双端差分输出器还包括三极管两个电阻R59、R73，四个电容C60、C61、C63、C71；所述对数放大及检波器包括AD8301，两个电阻R66、R68，10个电容C54、C55、C64、C65、C66、C68、C69、C72、C73、C74，以及一个电感L9；所述三极管结构包括两个三极管Q9、Q10。
优选地，晶体管Q9基极连接上级输入，发射极串接电阻R73后连接地电压AGND，发射极同时连接晶体管Q10基极与发射极、串接电容C71后连接AD8301管脚1；晶体管Q9集电极连接晶体管Q10集电极、串接电阻R59后连接3VA电源、串接电容C63后连接AD8301管脚8；电容C60、C61并联于3VA电源与地电源AGND之间；电容C65串接于AD8301管脚8、管脚1之间；电容C64串接于AD8301管脚8与地电源AGND之间；电容C68串接于AD8301管脚1与地电源AGND之间；电容C54、C55并联于电源VLNA与地电源AGND之间，电容C72串接于电源VLNA与地电源AGND之间；电感L9串接于3VA电源与电源VLNA之间；AD8301管脚7串接电阻R68后连接到电源VLNA，管脚6串接电容C74后连接到地电源AGND，管脚5连接到电源VLNA，管脚4串接R64后作为输出端输出有效信号，管脚3串接电容C73后连接地电源AGND，管脚2直接连接地电源AGND。
本发明实施例的上述方案与现有技术相比，基于LC选频滤波声呐接收电路，对比同等条件下低频带通滤波电路，频率响应滤波特性比较好，能有效的除去带外信号对接收信号的干扰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性示出本发明实施例中LC选频滤波声呐接收电路的结构框图；
图2示意性示出本发明实施例中射级跟随缓冲器的电路连接关系图；
图3示意性示出本发明实施例中一级LC选频滤波放大器的电路连接关系图；
图4示意性示出本发明实施例中二级LC选频滤波放大器的电路连接关系图；
图5示意性示出本发明实施例中单端差分输出器的电路连接关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本申请实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述XXX，但这些XXX不应限于这些术语。这些术语仅用来将XXX区分开。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一电阻也可以被称为第二电阻，类似地，第二电容也可以被称为第一电容。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
本实施例提供了一种LC选频滤波声呐接收电路，用于接收模拟信号输入，分立器件进行LC调谐放大，得到检波信号，输出至MCU进行AD转换，从而进行数据分析处理。
如图1所示，所述LC选频滤波声呐接收电路至少包括的模拟信号输入端、射级跟随缓冲器、一级LC选频放大器、变压放大器、二级LC选频放大器、单端变双端(差分输出)器、对数放大及检波器、以及检波信号输出端。
模拟小信号经过射极跟随器进行缓冲，信号经过一级LC选频放大器第一次谐振滤波之后通过变压器进行初级放大得到有一定幅值的模拟信号，而后通过二级选频放大器再次进行谐振滤波，得到可检波的信号。所述可检波的信号经过单端差分变器换变换成符合对数放大及检波器的差分信号，经过对数放大及检波器进行检波，检波后信号发送至MCU进行AD转换和数据分析处理。
所述射级跟随缓冲器输入阻抗高，输出阻抗低，在此信号处理系统中接收模拟小信号的输入，处理作为后级放大滤波的缓冲。如图2所示，所述射级跟随缓冲器至少包括：晶体管Q13、Q14，电阻R55、R61、R62、R65、R66、R67、R69、R70、R71、R74，以及电容C52、C53、C66、C76、C78、C79、C82。其中，晶体管Q13具有栅极3、漏极4和源极1，栅极3连接模拟信号输入；电阻R69一端连接所述漏极4，另一端分别连接电阻R67、电阻R74、电容C78的一端，电阻R67另一端接入电源VLNA，电阻R74、电容C78的另一端结地电源AGND；电阻R70、电容C82连接于所述源极1与地电源AGND之间；电阻R61连接于所述漏极4与电源VLNA之间；电容C52、C53连接于电源VLNA与地电源AGND之间；电容C70连接于所述漏极4与晶体管Q13基极之间；电阻R62连接于电源VLNA与晶体管Q13基极之间；电容C76连接于晶体管Q13基极与地电源AGND之间；电阻R71连接于晶体管Q13发射极与地电源AGND之间；电阻R55连接于晶体管Q13集电极与电源VLNA之间；电阻R65连接于晶体管Q13集电极与输出端之间；电容C66连接于晶体管Q13集电极与地电源AGND之间；电容C75连接于晶体管Q13发射极与输出端之间；电容C79连接于输出端与地电源AGND之间。
所述一级LC选频放大器，如图3所示，包括晶体管Q15，电阻R57、R63、R72、R76，电容C58、C81、C83、C84，和变压器T4。其中晶体管Q15基极接入上级输入信号；电阻R76、电容C84并联之后与R72串联接入晶体管Q15发射极与地电源AGND之间，其中R72连接晶体管Q15发射极端；变压器T4包括初级绕组和次级绕组，初级绕组一端连接晶体管Q15集电极端，另一端串接电容C62与初级绕组所述一端连接，初级绕组中间引线连接3VA电源；电容C58连接于3VA电源与地电源AGND之间；次级绕组中间引线连接地电源AGND,次级绕组的与初级绕组的所述另一端的同名端通过电阻R57连接3VA电源、通过电容C83连接地电源AGND，次级绕组的与初级绕组的所述一端的同名端作为输出端。根据f＝1/(2π√LC)，可计算相应参数使LC谐振在声呐工作频率120KHz，图3中变压器初级等效电感1.2mh，因此初级等效电感与电容谐振在120KHz，通过调节电路参数，取得合适电路放大倍数。
所述变压器放大器对所述一级LC选频放大器输出信号进行放大，输出至所述二级LC选频放大器。
所述二级LC选频放大器，如图4所示，其放大电路原理同一级LC选频放大器，对信号进一步选频滤波和放大。
所述单端变双端(差分输出)器包括三极管，所述对数放大及检波器包括AD8301，单端输入信号经过三极管，在发射极、集电极分别取出幅值相等相位反相的差分信号，所述差分信号经过AD8301对数放大检波即可得到有效的包络信号供MCU分析处理。
参见说明书附图5，所述单端变双端(差分输出)器包括三极管Q9、Q10，电阻R59、R73，电容C60、C61、C63、C71。所述对数放大及检波器包括AD8301，电阻R66、R68，电容C54、C55、C64、C65、C66、C68、C69、C72、C73、C74，以及电感L9。其中，晶体管Q9基极连接上级输入，发射极串接电阻R73然后连接地电压AGND，发射极同时连接晶体管Q10基极与发射极、串接电容C71然后连接AD8301管脚1；晶体管Q9集电极连接晶体管Q10集电极、串接电阻R59然后连接3VA电源、串接电容C63然后连接AD8301管脚8；电容C60、C61并联于3VA电源与地电源AGND之间；电容C65串接于AD8301管脚8、管脚1之间；电容C64串接于AD8301管脚8与地电源AGND之间；电容C68串接于AD8301管脚1与地电源AGND之间；电容C54、C55并联于电源VLNA与地电源AGND之间，电容C72串接于电源VLNA与地电源AGND之间；电感L9串接于3VA电源与电源VLNA之间；AD8301管脚7串接电阻R68后连接到电源VLNA，管脚6串接电容C74后连接到地电源AGND，管脚5连接到电源VLNA，管脚4串接R64后作为输出端输出有效信号，管脚3串接电容C73后连接地电源AGND，管脚2直接连接地电源AGND。
本发明通过上述实施例，改进了现有技术中声呐接收电路多是应用运放做信号接收滤波放大，克服了应用运放做低频滤波、有源带通滤波时矩形系数比较差，当声呐在水中工作时很容易受到船舶、发动机等外部噪声影响从而影响声呐接收信号的噪音水平的技术缺陷。
本发明通过上述实施例，基于LC选频滤波声呐接收电路，本发明技术方案与现有技术相比，对比同等条件下低频带通滤波电路，频率响应滤波特性比较好，能有效的除去带外信号对接收信号的干扰。
本发明具体实施例进一步通过应用分立器件进行LC调谐放大，带通滤波可以做到4KHz，可以有效避免系统遭受外界噪声影响，在同等放大基础下提高接收系统的信噪比。
以上所描述的电路实施例仅仅是示意性的，其中所述分离器件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为电路的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种LC选频滤波声呐接收电路，其特征在于：包括射级跟随缓冲器、单端变双端差分输出器、对数放大及检波器、LC选频放大器组；其中，
所述射级跟随缓冲器接收模拟小信号输入，对输入的信号进行缓冲；
所述LC选频放大器组对缓冲后信号进行放大滤波；
所述单端变双端差分输出器对放大滤波后的信号取出幅值相等相位相反的差分信号；
所述对数放大及检波器对所述差分信号放大检波，发送MCU处理；
所述LC选频放大器组包括为至少两个分立的LC选频放大器。
2.根据权利要求1所述接收电路，其特征在于：所述至少两个分立的LC选频放大器组包括一级LC选频放大器和二级LC选频放大器。
3.根据权利要求2所述接收电路，其特征在于：所述LC选频放大器组还包括设置于所述一级LC选频放大器和所述二级LC选频放大器之间的变压放大器。
4.根据权利要求3所述接收电路，其特征在于：所述LC选频放大器组对缓冲后信号进行放大滤波具体为：缓冲后的输入信号经过所述一级LC选频放大器第一次谐振滤波之后通过所述变压放大器进行初级放大得到有一定幅值的模拟信号，而后通过所述二级选频放大器再次进行谐振滤波，得到所述放大滤波后的信号。
5.根据权利要求1-4任一所述接收电路，其特征在于：所述射级跟随缓冲器为高输入阻抗低输出阻抗的射级跟随器。
6.根据权利要求2-4任一所述接收电路，其特征在于：所述一级LC选频放大器包括放大电路和LC选频电路。
7.根据权利要求6所述接收电路，其特征在于：所述LC选频电路包括一变压器(T4)和谐振电容，所述LC选频电路谐振频率为声呐工作频率120KHz。
8.根据权利要求7所述接收电路，其特征在于：所述二级LC选频放大器电路结构与所述一级LC选频放大器电路结构相同。
9.根据权利要求1-4任一所述接收电路，其特征在于：所述单端变双端差分输出器包括三极管结构，单端输入信号经过三极管结构，在发射极、集电极分别取出幅值相等相位反相的差分信号。
10.根据权利要求9所述接收电路，其特征在于：所述差分信号经过所述对数放大及检波器得到能够供MCU分析处理的有效的包络信号。
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