CN114254670A - 一种图像声呐的接收预处理电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及声信号的接收预处理技术领域，具体涉及一种图像声呐的接收预处理电路；包括前置放大电路、滤波电路和调理模块；前置放大电路的输入端用于接收阵元输出模拟信号，输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端连接调理模块的输入端，调理模块的输出端用于连接至采样量化电路；在信号预处理过程中，通过前置放大电路、滤波电路和调理模块完成信号的放大、滤波和调理操作，实现高质量的信号预处理。实现对水声信号的无差别放大，实现对噪声的过滤，提高输出信号的信噪比；采用16位、8通道同步采样模数数据采集芯片；该系统可通过更改电路中可配置的参数实现对不同水声信号采集处理的中心频率的选择。
Description
技术领域
本发明涉及声信号的接收预处理技术领域，具体涉及一种图像声呐的接收预处理电路。
背景技术
一般来说，声呐均采用多元阵，基阵输出信号的路数较多，这就要求采用多通道采集系统。水听器输出的信号十分微弱，在采集量化前要对信号进行一些处理工作，如放大、滤波等。在采集系统中，通常将输入模拟信号先通过预处理电路，然后再进行采样和量化。信号预处理的目的是完成缓冲、放大、衰减、隔离和线性化传感器信号等操作。在信号预处理的放大、滤波的过程中信号很容易受到电噪声、数字电路的影响，使信号相位发生变化。为了保证各通道幅度和相位的一致性，对模拟接收机的信号预处理电路提出了很高的要求。
传统技术的基本情况：近年来，随着社会的进步与发展，人类越来越想去了解自己所生存的星球，相比于较为熟悉的陆地，人类对于海洋的了解还是较少的。海洋是人类不可或缺的资源，就更加值得人类去探索和开发。我国正背负着建设海洋强国的重要使命和任务，不断探索未知的海洋成为了当今我国发展的一个重要课题。想要了解海洋，就要对水下信息进行采集并分析处理。众所周知，水下信息大多数都是以声波的形式进行传递的，这样的传递方法很有效，我们可以在水下采集带有水下信息的声信号，并转化为电信号进行处理、分析，从而达到了解水下的目的。而在水下信号处理中，如果想对水声信号的处理分析更加精准，无疑预处理电路是至关重要的。它是信号进入整个水声处理系统的第一个环节，也决定了水声信号采集并存储的相位幅度一致性，从而影响水声信号处理结果的准确性。这一环节已在声纳和雷达等领域中广泛应用。
传统的水声信号预处理电路主要存在以下几个方面的缺点：
1、信号处理能力弱：对水声信号而言，换能器输出的信号是信噪比极低的弱信号，预处理电路用于放大有用的信号，衰减噪声信号，提高信号的信噪比，以利于后续电路进行检测和处理，其性能决定了系统对弱信号的检测能力。
2、数据传输通道少：传统的水声数据采集存储器一般通道较少，例如单通道的有SP201、SC247型，双通道的有 EG3300、YE5938型等，导致数据传输较慢，工作时间较长，采集效率太低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种图像声呐的接收预处理电路，实现对水声信号的无差别放大，实现对噪声的过滤，提高输出信号的信噪比；采用16位、8通道同步采样模数数据采集芯片；该系统可通过更改电路中可配置的参数实现对不同水声信号采集处理的中心频率的选择。所有器件均为低噪声小电流的元器件，保证该电路低功耗的目的。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种图像声呐的接收预处理电路，包括前置放大电路、滤波电路和调理模块；所述前置放大电路的输入端用于接收阵元输出模拟信号，输出端连接所述滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端连接所述调理模块的输入端，所述调理模块的输出端用于连接至采样量化电路；
在信号预处理过程中，通过所述前置放大电路、所述滤波电路和所述调理模块完成信号的放大、滤波和调理操作，实现高质量的信号预处理。
优选的，所述前置放大电路采用AD8421芯片，AD8421芯片作为预处理电路的前级。
优选的，在使用AD8421芯片作为前置放大电路时，通过配置一个电阻器将增益设置为1到10000；参考引脚用于对输出电压施加精确的偏移。
优选的，输入端的8路模拟信号通过AD8421芯片放大，通过配置增益电阻Rg=1kΩ将输入的水声信号放大10倍，输出给下一级模拟滤波电路。
优选的，所述滤波电路采用LT1568芯片，使LT1568芯片作为二阶巴特沃斯低通滤波器或带通滤波器；采用调节外置电阻的阻值来设置低通截止频率在2.5MHz，总电压输入为5V，对应电流在28mA~38mA。
优选的，所述滤波电路的模拟信号输入端的8路模拟信号通过LT1568芯片滤波，中心频率fs=2.5MHz，将有干扰的低频信号进行有效过滤，防止干扰所采集到的目标信号，而后输出给下一级调理模块电路。
优选的，所述调理模块采用VCA8500芯片，该VCA8500是一个8通道可变增益放大器组成的低噪声前置放大器和一个可变后增益放大器。
优选的，低噪声前置放大器的增益固定在20dB，并具有良好的噪声和信号处理特性；后增益放大器编程为四个增益设置：20 dB，25 dB，27 dB或30dB增益。
优选的，水声信号的预处理电路的工作原理为：
首先输入端的8路模拟信号通过AD8421芯片放大，通过配置增益电阻Rg=1kΩ将输入的水声信号放大10倍，输出给下一级模拟滤波电路，而后滤波电路的模拟信号输入端的8路模拟信号通过LT1568芯片滤波，中心频率fs=2.5MHz，将有干扰的低频信号进行有效过滤，防止干扰所采集到的目标信号，而后输出给下一级调理模块电路，最后调理模块采用VCA8500芯片作为调理模块中的可变增益放大器，内部通过单片机STM32控制，通过控制VCA8500控制引脚的高低电平来将8路输入信号进行调理放大，将单端输入信号转化为差分信号输出，从而消除共模噪声，提高信噪比，而后输出给A/D采集模块。
本发明的有益效果为：
1、本发明研究了窄带系统对提高信噪比和检测能力的作用，在电路中可通过低噪声放大器对弱信号进行放大，再由极低噪声高频有源RC滤波器芯片构成的带通滤波器来滤除噪声信号，提高信噪比；通过设计为八通道高频信号采集，能够对应多元阵采集，保证水声信号预处理的完整性。
2、水声信号的信噪比：以频带宽而平坦的前置放大电路和通带窄且可转移的带通滤波器组成，既可以实现对水声信号的无差别放大，又可以实现对噪声的过滤，提高输出信号的信噪比。
3、多路水声传感器同步存储：采用16位、8通道同步采样模数数据采集芯片。
4、频带宽、低功耗：该系统可通过更改电路中可配置的参数实现对不同水声信号采集处理的中心频率的选择。所有器件均为低噪声小电流的元器件，保证该电路低功耗的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的电路结构图；
图2是本发明中AD8421前置放大电路原理图；
图3是本发明中滤波电路原理图；
图4是本发明中调理模块电路原理图。
图中：1-前置放大电路、2-滤波电路、3-调理模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1~4所示，本实施例具体公开提供了一种图像声呐的接收预处理电路的技术方案，选用了低噪声、低功耗前置放大电路1芯片：AD8421芯片作为预处理电路的前级，而后选用极低噪声的高频有源RC滤波器芯片：LT1568芯片作为预处理电路的滤波模块，最后采用一个可变增益放大器组成的低噪声前置放大器芯片：VCA8500组成后级调理电路。它集成了最佳性能、更高集成度和更低功耗设计的若干新型架构元件，达到了更高的系统性能水平。要获得最佳系统性能，就必须均衡组合这些高性效比的元器件。
前置放大电路1：该AD8421芯片是低成本，低功耗，极低噪声，超低偏置电流，高速仪表放大器，是一个广泛的信号调理和数据采集应用的理想选择。它能够在高频共模噪声的存在下，在很宽的温度范围内提取低电平信号。各项优异的性能和参数使AD8421在需要高信道计数多路复用系统的应用中脱颖而出。即使需要更高的增益，当前的反馈架构也能够保持高性能，例如，在G =100，带宽为2MHz的解决时间为0.8us。AD8421具有优异的失真性能，使其适合于在苛刻的电路环境中应用。
AD8421提供3nV/√Hz的输入电压噪声和200fA/√Hz的电流噪声，只有2 mA的静态电流，使它成为测量低电平信号的理想选择。对于高源阻抗的应用，AD8421采用创新的工艺技术和设计技术，提供仅受传感器限制的噪声性能。
AD8421使用独特的保护方法，以确保强大的输入，同时仍然保持非常低的噪声。这种保护允许输入电压高达40V从相反的电源轨没有损坏的一部分。
在使用AD8421芯片作为前置放大电路1时，可以通过配置一个电阻器将增益设置为1到10000。参考引脚可用于对输出电压施加精确的偏移。
在电路设计时，需要对AD8421芯片的电阻参数进行配置。下图2为AD8421前置放大电路1原理图：从图2可知，输入端的8路模拟信号通过AD8421放大，通过配置增益电阻Rg=1kΩ将输入的水声信号放大10倍，输出给下一级模拟滤波电路2。
滤波模块：LT1568芯片是一个具有轨至轨输入和输出的易用型有源RC滤波器单元式部件。该IC的内部电容器和内部低噪声运算放大器的GBW乘积均经过适当的修整，以便能够实现一致和可重复的滤波器响应。利用单个电阻器阻值，LT1568.提供了一对匹配的双极点巴特沃斯低通滤波器，该滤波器具有适合于I/Q通道的单位增益。 通过采用阻值不对称的外部电阻器，这两个双极点滤波器节能够产生不同的频率响应或增益。此外，还可对该两级进行级联，以形成一个具可设置响应的四极点滤波器。LT1568能实现高达10MHz的截止频率，因而成为高速数据通信中抗混淆或通道滤波处理的理想选择。LT1568还可被用作一个带通滤波器。 LT1568具有非常低的噪声，可支持90dB以上的信噪比。它还能够提供单端至差分信号转换，以实现对高速A/D转换器的直接驱动。LT1568具有一种停机模式，当采用一个5V电源时，该模式可将电源电流减小至0.5mA左右。
在本实施例中，采用LT1568芯片做为二阶巴特沃斯低通滤波器，同时也可以做带通滤波器。采用调节外置电阻的阻值来设置低通截止频率在2.5MHz。总电压输入为5V，对应电流在28mA~38mA。而且此款滤波器也可用于单端转差分，可以消除相位噪声提高信噪比。
LT1568的滤波电路2设计如下图3所示：从图3可知，滤波电路2的模拟信号输入端的8路模拟信号通过LT1568滤波，中心频率fs=2.5MHz，将有干扰的低频信号进行有效过滤，防止干扰我们所采集到的目标信号，而后输出给下一级调理模块3电路。
调理模块3：该VCA8500是一个8通道可变增益放大器组成的低噪声前置放大器和一个可变增益放大器。这种组合随着设备的功能，使它是各种超声波系统的理想选择。低噪声前置放大器的增益固定在20dB，并具有良好的噪声和信号处理特性。电压控制衰减器的增益可以在一个0V至1.2V的控制电压共同的VCA8500的所有通道超过 45 分贝范围内变化
后增益放大器可以编程为四个增益设置：20 dB，25 dB，27 dB或30dB增益。作为改善系统过载恢复时间的手段，VCA8500提供了一个内部夹紧功能，后增益放大器设置以及钳位通过该系列进行控制连接。
在本实施例中，采用VCA8500芯片作为调理模块3中的可变增益放大器，内部通过单片机STM32控制，通过控制VCA8500控制引脚的高低电平来将8路输入信号进行调理放大，将单端输入信号转化为差分信号输出，从而消除共模噪声，提高信噪比，而后输出给A/D采集模块。
系统工作原理：水声信号预处理电路的工作方式是：首先输入端的8路模拟信号通过AD8421放大，通过配置增益电阻Rg=1kΩ将输入的水声信号放大10倍，输出给下一级模拟滤波电路2。而后滤波电路2的模拟信号输入端的8路模拟信号通过LT1568滤波，中心频率fs=2.5MHz，将有干扰的低频信号进行有效过滤，防止干扰我们所采集到的目标信号，而后输出给下一级调理模块3电路。最后调理模块3采用VCA8500芯片作为调理模块3中的可变增益放大器，内部通过单片机STM32控制，通过控制VCA8500控制引脚的高低电平来将8路输入信号进行调理放大，将单端输入信号转化为差分信号输出，从而消除共模噪声，提高信噪比，而后输出给A/D采集模块。
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 (9)
1.一种图像声呐的接收预处理电路，其特征在于，包括前置放大电路、滤波电路和调理模块；所述前置放大电路的输入端用于接收阵元输出模拟信号，输出端连接所述滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端连接所述调理模块的输入端，所述调理模块的输出端用于连接至采样量化电路；
在信号预处理过程中，通过所述前置放大电路、所述滤波电路和所述调理模块完成信号的放大、滤波和调理操作，实现高质量的信号预处理。
2.根据权利要求1所述的一种图像声呐的接收预处理电路，其特征在于，所述前置放大电路采用AD8421芯片，AD8421芯片作为预处理电路的前级。
3.根据权利要求2所述的一种图像声呐的接收预处理电路，其特征在于，在使用AD8421芯片作为前置放大电路时，通过配置一个电阻器将增益设置为1到10000；参考引脚用于对输出电压施加精确的偏移。
4.根据权利要求3所述的一种图像声呐的接收预处理电路，其特征在于，输入端的8路模拟信号通过AD8421芯片放大，通过配置增益电阻Rg=1kΩ将输入的水声信号放大10倍，输出给下一级模拟滤波电路。
5.根据权利要求1所述的一种图像声呐的接收预处理电路，其特征在于，所述滤波电路采用LT1568芯片，使LT1568芯片作为二阶巴特沃斯低通滤波器或带通滤波器；采用调节外置电阻的阻值来设置低通截止频率在2.5MHz，总电压输入为5V，对应电流在28mA~38mA。
6.根据权利要求5所述的一种图像声呐的接收预处理电路，其特征在于，所述滤波电路的模拟信号输入端的8路模拟信号通过LT1568芯片滤波，中心频率fs=2.5MHz，将有干扰的低频信号进行有效过滤，防止干扰所采集到的目标信号，而后输出给下一级调理模块电路。
7.根据权利要求1所述的一种图像声呐的接收预处理电路，其特征在于，所述调理模块采用VCA8500芯片，该VCA8500是一个8通道可变增益放大器组成的低噪声前置放大器和一个可变后增益放大器。
8.根据权利要求7所述的一种图像声呐的接收预处理电路，其特征在于，低噪声前置放大器的增益固定在20dB，并具有良好的噪声和信号处理特性；后增益放大器编程为四个增益设置：20 dB，25 dB，27 dB或30dB增益。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种图像声呐的接收预处理电路，其特征在于，水声信号的预处理电路的工作原理为：
首先输入端的8路模拟信号通过AD8421芯片放大，通过配置增益电阻Rg=1kΩ将输入的水声信号放大10倍，输出给下一级模拟滤波电路，而后滤波电路的模拟信号输入端的8路模拟信号通过LT1568芯片滤波，中心频率fs=2.5MHz，将有干扰的低频信号进行有效过滤，防止干扰所采集到的目标信号，而后输出给下一级调理模块电路，最后调理模块采用VCA8500芯片作为调理模块中的可变增益放大器，内部通过单片机STM32控制，通过控制VCA8500控制引脚的高低电平来将8路输入信号进行调理放大，将单端输入信号转化为差分信号输出，从而消除共模噪声，提高信噪比，而后输出给A/D采集模块。
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Cited By (2)
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- 2021-11-29 CN CN202111436199.9A patent/CN114254670A/zh active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |