在現(xiàn)代主動聲納系統(tǒng)中，往往需要針對不同背景噪音以及不同的要求，適時地選擇信號波形，工作頻率，信號時間寬度，帶寬等。例如，常用的信號有單頻矩形脈沖(CW)，線性調(diào)頻脈沖信號(LFM)，雙曲線調(diào)頻信號等。不同的信號具有不同的特性。對于相同的多普勒分辨率，LFM脈沖的試驗分辨能力要高于CW脈沖，而對于相同的時延分辨力，LFM則要高于CW脈沖。當(dāng)目標(biāo)多普勒頻移較小時，相對于長CW脈沖而言，LFM脈沖具有較小的模糊面積，受到少一些的混響影響，而當(dāng)目標(biāo)多普勒增大時，長CW脈沖比LFM脈沖信號抗混響效果要好。
本文所提到的水聲信號發(fā)生系統(tǒng)采用多功能的數(shù)據(jù)采集接口板作為信號源，可以通過編寫程序方便產(chǎn)生所需的信號。其所產(chǎn)生的信號穩(wěn)定，精度高，并且修改容易，通用性強(qiáng)。但由于要直接產(chǎn)生滿足要求的正弦信號具有很大難度，所以產(chǎn)生的都是矩形信號，而且信號的幅度、功率均很小。為解決這一問題，這里提出了功率放大電路，將數(shù)據(jù)采集接口板產(chǎn)生的矩形信號轉(zhuǎn)換為正弦信號，并進(jìn)行幅度和功率放大，以滿足換能器對信號的要求。
1 總體設(shè)計
由式(3)可以得出以下結(jié)論：周期信號的傅氏變換在各諧波頻率處是一個無限長的等間距的沖擊序列。周期函數(shù)具有離散的傅氏變換頻譜。如能設(shè)計一電路將矩形周期信號的基頻諧波分量分離出來，便達(dá)到了將矩形周期信號轉(zhuǎn)換為正弦信號的目的。圖1為系統(tǒng)總體框圖。
由于上級電路產(chǎn)生的矩形信號幅度很小，所以先通過前置放大模塊進(jìn)行初步幅度放大和濾波。前置放大模塊的放大增益可控。PC機(jī)通過RS232接口與單片機(jī)通信，單片機(jī)接收到PC機(jī)發(fā)出的信息后，再通過調(diào)整電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)整增益。這樣整個系統(tǒng)最終的輸出信號幅度便可以通過PC機(jī)控制。矩形信號經(jīng)過巴特沃思濾波器濾波后轉(zhuǎn)換為正弦信號，再經(jīng)過放大濾波，便可傳給大功率運(yùn)放轉(zhuǎn)換為大功率信號。最后通過變壓器驅(qū)動換能器以產(chǎn)生聲信號。
2 電路設(shè)計
該電路按如前所述的功能，可以將其劃分為串口通信模塊、前置放大模塊、巴特沃思低通濾波模塊以及大功率運(yùn)放模塊。
2．1 串口通信模塊
系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)RS232接口與PC機(jī)進(jìn)行通信。該串口通信模塊的核心是單片機(jī)AT89C52，其帶有一個UART(通用異步收發(fā)器)。用UART實現(xiàn)串口通信非常容易，其收發(fā)協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)RS232接口是一致的，只是在電氣特性上有差異：UART采用的是CMOS電平，而RS232接口則采用RS232電平。因此該電路采用了MAX202電平轉(zhuǎn)換器來轉(zhuǎn)換電平。其電路圖如圖2所示。
該串口通信模塊除了MAX202外，單片機(jī)還外接復(fù)位芯片X25045。當(dāng)超過設(shè)定時間沒有得到單片機(jī)輸出的復(fù)位信號，X25045將通過復(fù)位口對單片機(jī)復(fù)位，以提高單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾性能。在編寫單片機(jī)程序時要特別注意對X25045的復(fù)位。另外，單片機(jī)通過并口控制3個模擬開關(guān)芯片4066，共12條線路的通斷。當(dāng)單片機(jī)收到來自PC機(jī)的信息后，選通不同的通路，等于將不同的電阻連接到運(yùn)放輸入端與輸出端之間，便達(dá)到調(diào)整前置放大模塊增益的目的。根據(jù)單片機(jī)多機(jī)通信特點(diǎn)，PC機(jī)如果要與指定的單片機(jī)實現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信，必須滿足下列條件：PC機(jī)串口信息幀格式應(yīng)同單片機(jī)一致，包括1位起始位、1位停止位、8位數(shù)據(jù)位1個第9位，本系統(tǒng)選定波特率為9 600b／s。單片機(jī)所需程序的流程圖如圖3所示。單片機(jī)的主要工作就是響應(yīng)串口中斷，當(dāng)有信號由串口傳來，單片機(jī)接收并識別內(nèi)容，然后按照內(nèi)容將事先安排好的控制位拉高，達(dá)到選通某一路模擬開關(guān)的作用。
2．2 前置放大模塊
由于該部分電路只是對信號進(jìn)行預(yù)處理，采用由運(yùn)放、電阻和電容組成的放大電路，如圖4所示。
圖4中運(yùn)放、電阻和電容構(gòu)成帶通濾波器，通帶為f1
在實際電路中就是通過調(diào)節(jié)R2的值達(dá)到調(diào)整放大增益的目的，圖5為前置入大器電路。實際電路中，運(yùn)放的輸出端并聯(lián)了12個不同阻值的電阻。同時，電阻另一端分別與模擬開關(guān)的12個輸入端相連，而所有模擬開關(guān)的12個輸出端都與運(yùn)放反向輸入端相連。
2．3 巴特沃思低通濾波器
巴特沃思又稱為最平的濾波器，其具有帶通內(nèi)極大平坦，過渡帶與阻帶單調(diào)性良好等特點(diǎn)。隨著階數(shù)的增加其特性更接近理想等優(yōu)點(diǎn)，因此成為信號處理中應(yīng)用最廣泛的幾種濾波器之一。為了使輸出的正弦信號不出現(xiàn)失真，同時保留原有信號的幅度信息，因此需要濾波器帶通內(nèi)增益平坦無波動，所以采用巴特沃思濾波器。這里通過集成濾波器MF6實現(xiàn)6階巴特沃思低通濾波器。
MF6是6階巴特沃思低通濾波器，其工作頻率范圍是0．1～10 kHz。由于采用了交換電容技術(shù)，MF6工作時所需的外設(shè)很簡單，MF6的截斷頻率fs是通過一個外界輸入的參考頻率fi進(jìn)行調(diào)節(jié)。fi是頻率為fs的1／100或1／50符合TTL或CMOS電平的時鐘信號。參考信號的電平類型可通過控制位進(jìn)行控制。當(dāng)參考頻率為125 kHz時，實測截斷頻率為1．25 kHz。其通帶內(nèi)平坦，帶外衰減線性程度好，滿足要求。
當(dāng)前一級的數(shù)據(jù)采集接口板產(chǎn)生信號時，同時還會產(chǎn)生一個原信號頻率適當(dāng)倍數(shù)的參考信號。在該電路中，MF6的截斷頻率設(shè)在信號的一次諧波頻率與二次諧波頻率之間。由于周期信號具有離散頻譜，一次諧波頻率位于通帶內(nèi)，其他諧波則被衰減。因此通過其濾波后，矩形信號便轉(zhuǎn)化為同頻率的正弦波。
2．4 大功率運(yùn)放
大功率運(yùn)放電路是以集成大功率運(yùn)算放大器LM12為核心，輔以外圍電路構(gòu)成，電路圖如圖6所示。
信號經(jīng)過巴特沃思濾波器濾波后轉(zhuǎn)化為具有正弦形式的信號，再經(jīng)過兩級由LF353運(yùn)放組成的帶通濾波器，進(jìn)一步濾除低頻與高頻部分噪聲。LM12CLK是一種大功率運(yùn)算放大器，在外接4 Ω負(fù)載時，最大輸出功率可達(dá)80 W。并且外圍電路簡單，運(yùn)用方便。信號經(jīng)過濾波電容以及兩個電阻進(jìn)行分壓和阻抗匹配后進(jìn)入正相輸入端。反饋電阻并聯(lián)電容，使其具有低通濾波，濾除高頻分量的作用。同時在輸出端與電源之間連接輸出夾斷二極管，如圖6所示。若LM12CLK外接電感式負(fù)載，當(dāng)輸出達(dá)到電源電壓限制時，電感中儲存的能量可能使輸出電壓超過電源電壓。因此為了防止電流倒流，二極管是非常必要的。該電路的放大增益由反相輸入端的兩個電阻的比值決定。該部分電路通過Tektronix2022 示波器實測波形，結(jié)果如圖7所示。
圖7(a)是小信號工作時實測波形，2通道低幅度信號(50 mV／格)為輸入信號，1通道高幅度信號(50 mV／格)為輸出。從圖中可以看出，該電路能將小信號不失真地放大。圖7(b)是大信號工作時實測波形，2通道(1 V／格)表示輸入信號，1通道(5 V／格)為輸出信號，由圖可見，當(dāng)輸入信號不斷增加，輸出信號的幅度超過電源幅度時，由于二極管的穩(wěn)壓作用，輸出信號被限幅，不能超過12 V，以防止電流倒流。
3 結(jié)論
根據(jù)以上原理，設(shè)計并實現(xiàn)了各個具體的電路，經(jīng)過硬件調(diào)試，并編制相應(yīng)的控制軟件，成功實現(xiàn)程控增益調(diào)節(jié)，硬件電路工作正常穩(wěn)定。經(jīng)反復(fù)調(diào)整元件參數(shù)，當(dāng)輸入為0．1～10 kHz的矩形信號時，輸出為同頻率的正弦信號。輸出信號穩(wěn)定，除小于0．5 kHz的低頻段外無明顯失真，信號最大增益大于54 dB，達(dá)到設(shè)計要求。事實證明該巴特沃思濾波器幅頻特性通帶內(nèi)平滑，衰減帶內(nèi)單調(diào)性良好，只要截斷頻率設(shè)置合理，完全可以濾出信號的基頻分量，將矩形信號轉(zhuǎn)換為正弦信號。以前的信號產(chǎn)生方式是通過RC電路直接得到正弦波，但信號頻率隨溫度和時間的漂移較大，由于通過晶體振蕩器可以得到頻率穩(wěn)定度很高的矩形信號，這種由矩形波得到正弦波的方式極大地改善了信號源的性能。同時，通過單片機(jī)的定時器可以很方便地得到一個指定頻率的矩形信號，如果對頻率的分辨率要求不是特別高，可以很方便地由單片機(jī)和濾波器構(gòu)成信號發(fā)生電路，簡化電路設(shè)計和成本。