CN204836140U - 基于adcp的低噪声高精度信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于ADCP的低噪声高精度信号处理系统，包括依次连接的RF变压器、滤波放大电路、无源π滤波器和跟随电路。本实用新型对ADCP的信号接收电路进行改进，增加低噪声高精度信号处理系统，通过设置RF射频变压器、无源π滤波器和电压跟随电路，能对由换能器接收的待测微弱回波信号进行模拟降噪和高精度提取，有效降低了滤波电路和数字处理电路的设计难度，提高了数字处理的精度。另一方面，对电源和地进行处理，电源部分的改进能有效增加电源利用率，减少电源噪声对后级电路的干扰。地部分的改进能实现数字、模拟地的分割，有效减少由数字电路部分所产生的噪声对模拟部分造成的干扰，提高模拟部分的测量精度。

Description

基于ADCP的低噪声高精度信号处理系统

技术领域

本实用新型属于海洋探测技术领域，涉及用于海洋水体流速探测的多普勒流速剖面仪ADCP，具体指一种基于多普勒流速剖面仪ADCP的低噪声高精度信号接收处理系统。

背景技术

ADCP即声学多普勒流速剖面仪是基于声学多普勒原理研制的一种测量水体流速的设备，它主要通过换能器发射声波，声波在水中产生反射，再被换能器接收。而换能器所能接收的待测声波信号是少量的，大部分声信号会被水体吸收或反射到其他方向；因此，换能器能接收到的信号强度大概只有0.3mV左右的微弱电压信号。而换能器接收进来的是差分信号，在这些信号中还有不少的共模信号和噪声，我们一般采用差分转单端的方式消除这些前段噪声。首先，由传统的放大器完成的差分转单端方式虽然可以从一定程度上抑制这些噪声，但是同时也带来了放大器自身的噪声，由于我们的信号强度仅为mV级的强度，就为后面的滤波电路设计增加了难度。其次，放大器本身是有功耗的，也为降低功耗带来了难度。再有，ADCP接收的是宽带信号，而放大器对信号是具有一定带宽限制的。最后，在外围电路设计方面，放大器设计的差分转单端外围电路较为复杂，成本较高；可见传统声信号前级设计存在诸多缺陷。除此之外，在后级滤波处理中，经电路放大、滤波后的信号虽然达到了可以采样的电压值，但往往电路上的噪声依然比较大，应用16位AD采样时可能造成后几位信号失效。现有的技术一般采用多级有源滤波电路，或使用纹波较小的电源，或是将AD采样部分进行数字和模拟两部分分离。但最终结果仍旧差强人意，不能有效解决上述问题。其中，ADCP的系统框图如图2所示。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型提供了一种基于ADCP的低噪声高精度信号处理系统，能对由换能器接收的待测微弱回波信号进行模拟降噪和高精度提取，有效降低了滤波电路和数字处理电路的设计难度，提高了数字处理的精度。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于ADCP的低噪声高精度信号处理系统，包括依次连接的RF变压器、滤波放大电路、无源π滤波器和跟随电路；所述处理系统设置在ADCP的接收模块内，能够对由换能器接收的差分信号进行模拟降噪和高精度提取，并将处理后的信号发送给AD数字处理模块；

RF变压器的输入端与换能器模块连接，用于将差分信号转为单端信号；接入RF射频变压器具有多重优势，首先，RF变压器属于无源器件，不会带来额外的能耗，其在处理信号时不会添加额外的自身噪声，易于后面滤波电路设计；其次，由于ADCP处理的是宽带信号，而RF变压器的带宽限制较宽；最后，RF变压器的电路构造简单，易与实现，成本低廉。

滤波放大电路主要由前级放大电路、无源带通滤波单元、四阶有源带通滤波单元和后级放大电路组成，用于声信号的前级滤波；

无源π滤波器为低通滤波器，可以让信号在进入AD数字处理模块前得到有效的滤波，用于声信号的二次滤波；

跟随电路的输出端与AD数字处理模块连接，用于降低输出信号阻抗，稳定AD数字处理模块输入端的电压；

作为本实用新型的优选技术方案：所述ADCP的接收模块包含四路相同的低噪声高精度信号处理系统，与换能器模块的四路换能器阵列一一对应。

作为本实用新型的优选技术方案：所述系统设有独立的电源模块，电源模块通过外接直流电提供系统工作所需的电源。

作为本实用新型的优选技术方案：所述电源模块采用先DC-DC降压芯片、后LDO稳压器的供电方式。这样做的好处有两方面：一方面通过一款转换率高达90%以上的、底噪声的DC-DC降压芯片(LMZ12003)将+12V电源转换到较底电压±5V，利于电源的利用效率；另一方面，将较底±5V电压变换为我们所需的±2.5V电压，这样做会大大减小电源噪声。

作为本实用新型的优选技术方案：所述AD数字处理模块分割为数字地和模拟地两部分，两地之间通过0R电阻连接。

本实用新型的有益效果是：一方面对接收模块进行改进，增加低噪声高精度信号处理系统，通过合理设置RF射频变压器、无源π滤波器和电压跟随电路，能对由换能器接收的待测微弱回波信号进行模拟降噪和高精度提取，有效降低了滤波电路和数字处理电路的设计难度，提高了数字处理的精度。另一方面，我们对电源和地进行处理，电源部分的改进能有效增加电源利用率，减少电源噪声对后级电路的干扰。地部分的改进能实现数字、模拟地的分割，有效减少由数字电路部分所产生的噪声对模拟部分造成的干扰，提高模拟部分的测量精度。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意框图；

图2为ADCP系统的结构示意框图；

图3为本实用新型的系统实现框图；

图4为本实用新型中电源设计原理框图；

图5为本实用新型中地分割的结构示意图；

图6为实施例中ADT1-1变压器电路连接示意图；

图7为跟随电路原理示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本实用新型及其效果作进一步阐述。

针对现有技术中存在的技术问题，一方面我们对接收模块进行改进，增加低噪声高精度信号处理系统；另一方面，我们对电源和地进行处理。

一、低噪声高精度信号处理系统的设计：

如图1所示，一种基于ADCP的低噪声高精度信号处理系统，包括依次连接的RF变压器、滤波放大电路、无源π滤波器和跟随电路；在ADCP的接收模块内设置有四路相同的低噪声高精度信号处理系统，与换能器模块的四路换能器阵列一一对应；能够对由换能器接收的差分信号进行模拟降噪和高精度提取，并将处理后的信号发送给AD数字处理模块；

RF变压器的输入端与换能器模块连接，用于将差分信号转为单端信号；接入RF射频变压器具有多重优势，首先，RF变压器属于无源器件，不会带来额外的能耗，其在处理信号时不会添加额外的自身噪声，易于后面滤波电路设计；其次，由于ADCP处理的是宽带信号，而RF变压器的带宽限制较宽；最后，RF变压器的电路构造简单，易与实现，成本低廉。

滤波放大电路主要由前级放大电路、无源带通滤波单元、四阶有源带通滤波单元和后级放大电路组成，用于声信号的前级滤波；

无源π滤波器为低通滤波器，可以让信号在进入AD数字处理模块前得到有效的滤波，用于声信号的二次滤波；

跟随电路的输出端与AD数字处理模块连接，用于降低输出信号阻抗，稳定AD数字处理模块输入端的电压。

二、关于电源的设计：

本系统可通过设有独立的电源模块或者利用ADCP系统的电源模块提供工作所需的电源。对于独立的电源模块，我们采用的外接12V供电，为了提高电源的效率，我们先用DC-DC降压芯片把电压降下来，再由LDO稳压器变为我们需要的供电电压；通常情况，由DC-DC降压芯片把外接+12V电源降到±5V；再由LDO稳压器变为±2.5V。因为我们采集的信号是正负信号，故我们需要设计正负电源。如图4所示的电源设计原理框图可知，采用的是各部分分离供电方案，图中由LDO稳压器变为±2.5V的电路部分，使用电感和通过DC-DC降压芯片的电压分离开来，这样有助于电源的干净，不至于干扰后面的信号处理电路。

三、关于地分割的设计：

AD数字处理模块分割为数字地和模拟地两部分，两地之间通过0R电阻连接。如图5所示的地分割的结构示意图，AD芯片的一边为数字地，另一边为模拟地，中间是隔离区，此隔离区是在画PCB时人为隔离出来的，隔离区不铺铜，数字地和模拟地通过中间的0R电阻连接共地。数字电路部分的噪声一般比较大，而模拟部分的噪声是比较小的，分割后数字部分的电路不会干扰到模拟部分电路，这样就有效提高了模拟部分测量信号的精度。

四、关于RF变压器的选型：

我们在实施ADCP接收端处理信号时，首先要考虑的就是RF变压器的选型，在RF变压器选型时必须了解RF变压器参数的具体意义：

插入损耗（insertionlose）：输出端口功率与输入端口功率之比，通常用db作为单位。

插入损耗=-10log[(输出功率/输入功率)]

回波损耗（input.R.lose）：即反射功率与入射功率之比，通常用db作为单位。

回波损耗=-10log[(反射功率/入射功率)]

幅度失衡、相位失衡：这两个参数是衡量变压器非线性的重要指标，当设计中频高于100MHZ时，可以通过这两项指标预见变压器的非线性大小。

我们以ADT1-1变压器为例，其相关性能如下图所示：

由上表可知ADT1-1变压器的插入损耗为0.35db，功率损耗约为8%，回波损耗约为25db，反射功率为0.3%；因我们使用的是600K中心频率，其幅度失衡和相位失衡可忽略不计。变压器的初次级匝数比是1：1，通过计算回波损耗和插入损耗都是很小的，满足我们设计要求。

ADT1-1变压器的具体电路连接示意图如图6所示：ADT1-1变压器的初级接换能器的输出，次级接后续的信号处理电路。从图中可知，由换能器出来的差分信号经RF变压器ADT1-1后，变成了单端的待测信号，使得外围电路简单，易于实现。

五：关于AD前端输入级的设计：

A：无源π滤波器：

π滤波器为低通、无源滤波器，其插入损耗小，成本低价，易于实现及调试。一般使用RCπ滤波器，电阻一般在几个欧姆到几十个欧姆之间。

B：跟随电路设计：

在上面的无源π滤波器后面再接个电压跟随器，可以降低输出阻抗，从而使得AD输入端的电压更加稳定，使得AD测量结果更加准确。其电路原理图如图7所示。

以上给出了具体一种新型基于ADCP微弱小信号高精度处理方法，通过上述方法处理后的信号较以往传统信号干净，提高了AD采样的精度，满足我们设计ADCP的要求。

以上实施例仅是示例性的，并不会局限本实用新型，应当指出对于本领域的技术人员来说，在本实用新型所提供的技术启示下，所做出的其它等同变型和改进，均应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于ADCP的低噪声高精度信号处理系统，其特征在于：包括依次连接的RF变压器、滤波放大电路、无源π滤波器和跟随电路；所述处理系统设置在ADCP的接收模块内，能够对由换能器接收的差分信号进行模拟降噪和高精度提取，并将处理后的信号发送给AD数字处理模块；

RF变压器的输入端与换能器模块连接，用于将差分信号转为单端信号；

滤波放大电路主要由前级放大电路、无源带通滤波单元、四阶有源带通滤波单元和后级放大电路组成，用于声信号的前级滤波；

无源π滤波器为低通滤波器，可以让信号在进入AD数字处理模块前得到有效的滤波，用于声信号的二次滤波；

跟随电路的输出端与AD数字处理模块连接，用于降低输出信号阻抗，稳定AD数字处理模块输入端的电压。

2.根据权利要求1所述的一种基于ADCP的低噪声高精度信号处理系统，其特征在于：所述ADCP的接收模块包含四路相同的低噪声高精度信号处理系统，与换能器模块的四路换能器阵列一一对应。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于ADCP的低噪声高精度信号处理系统，其特征在于：所述系统设有独立的电源模块，电源模块通过外接直流电提供系统工作所需的电源。

4.根据权利要求3所述的一种基于ADCP的低噪声高精度信号处理系统，其特征在于：所述电源模块采用先DC-DC降压芯片、后LDO稳压器的供电方式。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于ADCP的低噪声高精度信号处理系统，其特征在于：所述AD数字处理模块分割为数字地和模拟地两部分，两地之间通过0R电阻连接。