CN109613523B - 一种测探仪信号预处理电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测探仪信号预处理电路，采用串联反馈放大电路，反馈信号与输入信号在放大电路的输入回路中以电压的形式求和，调整后的信号输入给预处理芯片进行处理。反馈电路分别与可编程预处理芯片AN231E04的11、12、13、14管脚相连接。本发明结构美观、简易、功能选择多样化，可根据实际需求实时动态的更改电路的功能，预处理芯片的放大电路不仅性能稳定且放大倍数可靠，有助于提高仪器的精度。

Description

一种测探仪信号预处理电路
技术领域
本发明涉及一种预处理电路，特别是一种测探仪信号预处理电路。
背景技术
回声测深仪的工作原理是利用换能器在水中发出声波，当声波遇到障碍物而反射回换能器时，根据声波往返的时间和所测水域中声波传播的速度，就可以求得障碍物与换能器之间的距离。声波在海水中的传播速度，随海水的温度、盐度和水中压强而变化。在海洋环境中，这些物理量越大，声速也越大。常温时海水中的声速的典型值为1500米/秒，淡水中的声速为1450米/秒。所以在使用回声测深仪之前，应对仪器进行率定，计算值要加以校正。
传统的预处理电路由大量的电阻电容堆叠而成，耗费大面积的控制板资源和使用较多的硬件材料，传统大规模信号放大预处理测深仪精度差、较极端情况下易损坏、成本高、不便于维修。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种测探仪信号预处理电路，结构简单且成本低廉。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种测探仪信号预处理电路，其特征在于：包含AN231E04芯片U8，芯片U8的1脚连接电容C60一端和电阻R42一端，芯片U8的3脚连接电容C60另一端和电阻R43一端，电阻R42另一端和电阻R43另一端连接电容C83一端和电阻R41一端，电阻R41另一端连接芯片U8的6脚，芯片U8的2脚连接电容C61一端和电阻R44一端，芯片U8的4脚连接电容C61另一端和电阻R46一端，电阻R44另一端和电阻R46另一端连接电容C84另一端和电阻R45一端，电阻R45另一端连接芯片U8的7脚，芯片U8的6脚连接电阻R47一端和电容C66一端，芯片U8的8脚连接电阻R47另一端和电容C63一端，芯片U8的7脚连接电阻R49一端和电容C70一端，芯片U8的9脚连接电阻R49另一端和电容C69一端，电容C66另一端和电容C63另一端连接电阻R48一端、双向触发二极管D20一端和电容C62一端，电容C70另一端和电容C69另一端连接电阻R48另一端、双向触发二极管D21一端和电容C68一端，电容C62另一端连接接口J4的1脚，双向触发二极管D20的另一端和双向触发二极管D21的另一端连接接口J4的2脚并连接GND-A，电容C68另一端连接接口J4的3脚，芯片U8的11脚连接电阻R50一端和电容C76一端，芯片U8的13脚连接电阻R50另一端和电容C75一端，芯片U8的12脚连接电阻R51一端和电容C78一端，芯片U8的14脚连接电阻R51另一端和电容C77一端，电容C76另一端和电容C75另一端连接电阻R39一端、双向触发二极管D22一端和电容C81一端，电容C78另一端和电容C77另一端连接电阻R39另一端、双向触发二极管D23一端和电容C82一端，电容C81的另一端连接接口J5的1脚，双向触发二极管D22的另一端和双向触发二极管D23的另一端连接接口J5的2脚并连接GND-A，电容C82的另一端连接接口J5的3脚，芯片U8的21脚连接电容C73一端和电阻R52一端，芯片U8的23脚连接电容C73另一端和电阻R53一端，芯片U8的22脚连接电容C74一端和电阻R54一端，芯片U8的24脚连接电容C74另一端和电阻R55一端，电阻R52另一端和电阻R53另一端连接电容C83一端和电阻R56一端，电阻R54另一端和电阻R55另一端连接电容C83另一端和电阻R57一端，电阻R56另一端连接芯片U8的13脚，电阻R57另一端连接芯片U8的14脚。
进一步地，所述芯片U8的5、29、32、35、37脚连接GND-A。
进一步地，所述芯片U8的10脚连接电容C72一端和电感L10一端，电容C72另一端连接GND-A，电感L10另一端连接电源+3.3VA。
进一步地，所述芯片U8的25脚连接电容C71一端和电感L9一端，电容C71另一端连接GND-A，电感L9另一端连接电源+3.3VA。
进一步地，所述芯片U8的26脚连接电容C67一端，芯片U8的27脚连接电容C65一端，芯片U8的28脚连接电容C64一端，电容C67另一端、电容C65另一端和电容C64另一端接地。
进一步地，所述芯片U8的36脚连接电容C59一端和电感L8一端，电容C59另一端连接GND-A，电感L8另一端连接电源+3.3VA。
进一步地，所述芯片U8的40脚连接发光二极管D19的阴极，发光二极管D19的阳极连接电阻R38一端，电阻R38另一端连接电阻R40一端并连接电源VDD3V3，芯片U8的44脚连接电阻R40另一端。
进一步地，所述电源+3.3VA连接电容C79一端和电感L11一端，电容C79另一端连接电感L12一端并连接GND-A，电感L11另一端连接电容C80一端并连接电源VDD3V3，电容C80另一端和电感L12另一端接地。
进一步地，所述AN231E04芯片U8的内部逻辑电路包含高通滤波器、低通滤波器、非线性放大器和线性放大器。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明的测探仪信号预处理电路结构美观、简易、功能选择多样化，可根据实际需求实时动态的更改电路的功能。外围电路与预处理芯片的处理性能都非常稳定，且当电路配置出现问题时预处理芯片会报错，能够及时的发现并更正错误。该预处理芯片的放大电路不仅性能稳定且放大倍数可靠，有助于提高仪器的精度。制造流程简单，预处理电路仅由一个简单的反馈电路与一块芯片组成，便于制作与组装。传统的预处理电路由大量的电阻电容堆叠而成，耗费大面积的控制板资源和使用较多的硬件材料，本设计恰恰相反能够节省更多的成本资源。环境兼容性强，预处理芯片的工作环境温度范围大，能够在比较极端的情况下稳定工作。
附图说明
图1是本发明的一种测探仪信号预处理电路的示意图。
图2是本发明的AN231E04芯片的内部逻辑图。
图3是本发明的一种测探仪信号预处理电路的工作流程图。
图4是本发明的实施例的仿真结果图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，本发明的一种测探仪信号预处理电路，包含AN231E04芯片U8，芯片U8的1脚连接电容C60一端和电阻R42一端，芯片U8的3脚连接电容C60另一端和电阻R43一端，电阻R42另一端和电阻R43另一端连接电容C83一端和电阻R41一端，电阻R41另一端连接芯片U8的6脚，芯片U8的2脚连接电容C61一端和电阻R44一端，芯片U8的4脚连接电容C61另一端和电阻R46一端，电阻R44另一端和电阻R46另一端连接电容C84另一端和电阻R45一端，电阻R45另一端连接芯片U8的7脚，芯片U8的6脚连接电阻R47一端和电容C66一端，芯片U8的8脚连接电阻R47另一端和电容C63一端，芯片U8的7脚连接电阻R49一端和电容C70一端，芯片U8的9脚连接电阻R49另一端和电容C69一端，电容C66另一端和电容C63另一端连接电阻R48一端、双向触发二极管D20一端和电容C62一端，电容C70另一端和电容C69另一端连接电阻R48另一端、双向触发二极管D21一端和电容C68一端，电容C62另一端连接接口J4的1脚，双向触发二极管D20的另一端和双向触发二极管D21的另一端连接接口J4的2脚并连接GND-A，电容C68另一端连接接口J4的3脚，芯片U8的11脚连接电阻R50一端和电容C76一端，芯片U8的13脚连接电阻R50另一端和电容C75一端，芯片U8的12脚连接电阻R51一端和电容C78一端，芯片U8的14脚连接电阻R51另一端和电容C77一端，电容C76另一端和电容C75另一端连接电阻R39一端、双向触发二极管D22一端和电容C81一端，电容C78另一端和电容C77另一端连接电阻R39另一端、双向触发二极管D23一端和电容C82一端，电容C81的另一端连接接口J5的1脚，双向触发二极管D22的另一端和双向触发二极管D23的另一端连接接口J5的2脚并连接GND-A，电容C82的另一端连接接口J5的3脚，芯片U8的21脚连接电容C73一端和电阻R52一端，芯片U8的23脚连接电容C73另一端和电阻R53一端，芯片U8的22脚连接电容C74一端和电阻R54一端，芯片U8的24脚连接电容C74另一端和电阻R55一端，电阻R52另一端和电阻R53另一端连接电容C83一端和电阻R56一端，电阻R54另一端和电阻R55另一端连接电容C83另一端和电阻R57一端，电阻R56另一端连接芯片U8的13脚，电阻R57另一端连接芯片U8的14脚。
芯片U8的5、29、32、35、37脚连接GND-A。芯片U8的10脚连接电容C72一端和电感L10一端，电容C72另一端连接GND-A，电感L10另一端连接电源+3.3VA。芯片U8的25脚连接电容C71一端和电感L9一端，电容C71另一端连接GND-A，电感L9另一端连接电源+3.3VA。芯片U8的26脚连接电容C67一端，芯片U8的27脚连接电容C65一端，芯片U8的28脚连接电容C64一端，电容C67另一端、电容C65另一端和电容C64另一端接地。
芯片U8的36脚连接电容C59一端和电感L8一端，电容C59另一端连接GND-A，电感L8另一端连接电源+3.3VA。芯片U8的40脚连接发光二极管D19的阴极，发光二极管D19的阳极连接电阻R38一端，电阻R38另一端连接电阻R40一端并连接电源VDD3V3，芯片U8的44脚连接电阻R40另一端。电源+3.3VA连接电容C79一端和电感L11一端，电容C79另一端连接电感L12一端并连接GND-A，电感L11另一端连接电容C80一端并连接电源VDD3V3，电容C80另一端和电感L12另一端接地。
本发明用一个反馈电路和一个可编程信号预处理芯片代替复杂的大规模信号放大预处理电路。设计创新内容包括回波信号预处理芯片的外围反馈电路和可编程预处理芯片内部电路。由于本电路应用在声呐换能器返回信号预处理部分，且返回信号的电压值比较小，故需要设计一个反馈电路来进行电压调整。反馈电路是将放大器输出信号（电压或电流）的一部分或全部，回收到放大器输入端与输入信号进行比较（相加或相减），并用比较所得的有效输入信号去控制输出，这就是放大器的反馈过程，本发明采用的为串联反馈放大电路，反馈信号与输入信号在放大电路的输入回路中以电压的形式求和，调整后的信号输入给预处理芯片进行处理。反馈电路分别与可编程预处理芯片（AN231E04）的11、12、13、14管脚相连接。AN231E04器件是模拟信号处理器;非常适用于信号调理，滤波，增益，整流，求和，减法，乘法等。该器件还适用于非线性功能，如传感器响应线性化和任意波形合成。AN231E04器件由2x2矩阵的完全可配置模拟模块（CAB）组成，由可编程互连资源和带有源元件的模拟输入/输出单元组成。片上时钟发生器模块控制从外部稳定时钟源产生的多个非重叠时钟域。内部带隙参考发生器用于创建温度补偿参考电压电平。包含8x256位查找表可实现波形合成和多种非线性功能。配置数据存储在片上SRAM配置存储器中。提供类似SPI的接口，用于从微处理器或DSP对配置数据进行简单的串行加载。该存储器被遮蔽，允许将不同的电路配置作为后台任务加载，而不会破坏当前的电路功能。 AN231E04器件具有七个可配置输入/输出结构，每个都可用作输入或输出，其中4个具有集成差分放大器。还有一个斩波稳定放大器，可供7个输出单元中的3个使用。使用Anadigmdesigner2软件启用电路设计，该软件是基于电路输入工具的高级框图。电路功能表示为CAM（可配置模拟模块），这些是可配置的块，映射到CAB的部分上。该软件和开发板可以对工具中捕获的任何电路进行即时原型设计。
如图2所示，AN231E04芯片U8的内部逻辑电路包含高通滤波器、低通滤波器、非线性放大器和线性放大器。本发明使用预处理芯片各小模块组成三种主要功能：非线性放大、线性放大、低通滤波和高通滤波。最终输出信号引脚定义在该芯片的第15管脚，可直接连接MCU进行信号的采集。
如图3所示，本发明的工作流程为，外围电压反馈电路调整信号的电压值，经过电压调整的信号进入可编程预处理芯片（AN231E04）滤波放大。芯片中的带通滤波器通过一个高通滤波器和一个低通滤波器组合实现的可见下图。然后经过非线性放大增益器，该非线性增益曲线由对数函数曲线调整参数得到。信号最后经过线性放大器将电压调整为MCU的AD采集功能可以接受的电压范围。
如图4所示，较为平缓的为输入信号，幅值较大的是处理后的输出信号，由仿真效果可知，本发明的测探仪信号预处理电路结构美观、简易、功能选择多样化，可根据实际需求实时动态的更改电路的功能。外围电路与预处理芯片的处理性能都非常稳定，且当电路配置出现问题时预处理芯片会报错，能够及时的发现并更正错误。该预处理芯片的放大电路不仅性能稳定且放大倍数可靠，有助于提高仪器的精度。制造流程简单，预处理电路仅由一个简单的反馈电路与一块芯片组成，便于制作与组装。传统的预处理电路由大量的电阻电容堆叠而成，耗费大面积的控制板资源和使用较多的硬件材料，本设计恰恰相反能够节省更多的成本资源。环境兼容性强，预处理芯片的工作环境温度范围大，能够在比较极端的情况下稳定工作。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种测探仪信号预处理电路，其特征在于：包含AN231E04芯片U8，芯片U8的1脚连接电容C60一端和电阻R42一端，芯片U8的3脚连接电容C60另一端和电阻R43一端，电阻R42另一端和电阻R43另一端连接电容C83一端和电阻R41一端，电阻R41另一端连接芯片U8的6脚，芯片U8的2脚连接电容C61一端和电阻R44一端，芯片U8的4脚连接电容C61另一端和电阻R46一端，电阻R44另一端和电阻R46另一端连接电容C84另一端和电阻R45一端，电阻R45另一端连接芯片U8的7脚，芯片U8的6脚连接电阻R47一端和电容C66一端，芯片U8的8脚连接电阻R47另一端和电容C63一端，芯片U8的7脚连接电阻R49一端和电容C70一端，芯片U8的9脚连接电阻R49另一端和电容C69一端，电容C66另一端和电容C63另一端连接电阻R48一端、双向触发二极管D20一端和电容C62一端，电容C70另一端和电容C69另一端连接电阻R48另一端、双向触发二极管D21一端和电容C68一端，电容C62另一端连接接口J4的1脚，双向触发二极管D20的另一端和双向触发二极管D21的另一端连接接口J4的2脚并连接GND-A，电容C68另一端连接接口J4的3脚，芯片U8的11脚连接电阻R50一端和电容C76一端，芯片U8的13脚连接电阻R50另一端和电容C75一端，芯片U8的12脚连接电阻R51一端和电容C78一端，芯片U8的14脚连接电阻R51另一端和电容C77一端，电容C76另一端和电容C75另一端连接电阻R39一端、双向触发二极管D22一端和电容C81一端，电容C78另一端和电容C77另一端连接电阻R39另一端、双向触发二极管D23一端和电容C82一端，电容C81的另一端连接接口J5的1脚，双向触发二极管D22的另一端和双向触发二极管D23的另一端连接接口J5的2脚并连接GND-A，电容C82的另一端连接接口J5的3脚，芯片U8的21脚连接电容C73一端和电阻R52一端，芯片U8的23脚连接电容C73另一端和电阻R53一端，芯片U8的22脚连接电容C74一端和电阻R54一端，芯片U8的24脚连接电容C74另一端和电阻R55一端，电阻R52另一端和电阻R53另一端连接电容C83一端和电阻R56一端，电阻R54另一端和电阻R55另一端连接电容C83另一端和电阻R57一端，电阻R56另一端连接芯片U8的13脚，电阻R57另一端连接芯片U8的14脚。
2.按照权利要求1所述的一种测探仪信号预处理电路，其特征在于：所述芯片U8的5、29、32、35、37脚连接GND-A。
3.按照权利要求1所述的一种测探仪信号预处理电路，其特征在于：所述芯片U8的10脚连接电容C72一端和电感L10一端，电容C72另一端连接GND-A，电感L10另一端连接电源+3.3VA。
4.按照权利要求1所述的一种测探仪信号预处理电路，其特征在于：所述芯片U8的25脚连接电容C71一端和电感L9一端，电容C71另一端连接GND-A，电感L9另一端连接电源+3.3VA。
5.按照权利要求1所述的一种测探仪信号预处理电路，其特征在于：所述芯片U8的26脚连接电容C67一端，芯片U8的27脚连接电容C65一端，芯片U8的28脚连接电容C64一端，电容C67另一端、电容C65另一端和电容C64另一端接地。
6.按照权利要求1所述的一种测探仪信号预处理电路，其特征在于：所述芯片U8的36脚连接电容C59一端和电感L8一端，电容C59另一端连接GND-A，电感L8另一端连接电源+3.3VA。
7.按照权利要求1所述的一种测探仪信号预处理电路，其特征在于：所述芯片U8的40脚连接发光二极管D19的阴极，发光二极管D19的阳极连接电阻R38一端，电阻R38另一端连接电阻R40一端并连接电源VDD3V3，芯片U8的44脚连接电阻R40另一端。
8.按照权利要求6所述的一种测探仪信号预处理电路，其特征在于：所述电源+3.3VA连接电容C79一端和电感L11一端，电容C79另一端连接电感L12一端并连接GND-A，电感L11另一端连接电容C80一端并连接电源VDD3V3，电容C80另一端和电感L12另一端接地。
9.按照权利要求1所述的一种测探仪信号预处理电路，其特征在于：所述AN231E04芯片U8的内部逻辑电路包含高通滤波器、低通滤波器、非线性放大器和线性放大器。
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