一种声纳接收机测试用信号源的设计

接线图 2023年12月31日 18:34 396 admin

0引言

现代声纳的信号处理基本由信号处理机来承担。由于信号处理机具有完善的自检能力和故障隔离能力，所以声纳装备快速测试的瓶颈主要在于接收机的测试。实际的声纳接收机一般具有若干个接收通道，对单个接收通道而言，需要在工作频段内具有平坦的幅频特性和线性相位特性，否则不能进行信号的无失真传输；对所有通道而言，它们的幅度、相位特性应该具有一致性，否则后续的信号处理则难以达到理想的效果。对声纳接收机进行测试不仅可以了解其工作状态，而且可以在某些接收通道出现偏差时进行补偿，从而提高声纳装备的探测性能，因此研制专用的声纳接收机测试设备十分必要。信号源的设计是研制过程中一个必不可少的环节，本文针对声纳接收机测试的特点，设计了一种用于声纳接收机测试的专用信号源。

1系统设计

设计的声纳接收机测试用信号源的系统框图如图1所示。它分为单片机控制AD9850的频率合成部分；由MAX275构成的带通滤波器部分；用单片机控制AD7111的信号幅度调节部分和上位机部分。其中，上位机的功能主要是设置和显示测试信号的频率、初相和幅度。

一种声纳接收机测试用信号源的设计第1张

2硬件设计

2.1频率合成模块

频率合成模块的电路如图2所示。其中，AD9850是一块高稳定度的直接数字频率合成器件，内部集成了输入控制字寄存器、二进制全加器、相位寄存器、正弦查找表、10位高速DAC和高速比较器。每来一个参考时钟，则相位寄存器以步长M(M的大小由频率控制字决定)增加，其输出与相位控制字相加后，用正弦表查询得到相应的数字幅度信息，再通过DAC输出，便可得到所需频率的正弦信号。由于430单片机的数字I／O比较丰富，故采用并行接口方式，单片机对AD9850进行编程时，先使FQ_UD信号变低，然后在W_CLK上升沿，将8 b的控制字写入AD9850的输入寄存器，5个时钟周期后，共写入40 b的控制字，最后FQ_UD将信号变高，40 b的控制字同时装载到功能寄存器，AD9850即可输出正弦信号。本设计采用12 MHz晶振，AD9850的频率控制字为32 b，故频率分辨率(单位：Hz)为：

一种声纳接收机测试用信号源的设计第2张

设W为AD9850的频率控制字，由fo=W△f=W×12×106／232得：

一种声纳接收机测试用信号源的设计第3张

根据测试的需要，由单片机按式(2)对AD9850写入频率控制字即可产生所需频率的正弦信号。

2.2带通滤波模块

由于相位累加舍人、幅度量化和DAC非理想特性等原因，DDS芯片直接输出信号的噪声较大，而声纳接收机测试(比如频率特性测试等)需要频谱纯净的正弦信号，所以必须对DDS芯片输出的信号进行滤波。根据待测接收机的工作频率范围，可以将滤波器设计成低通或带通形式。本文设计的信号源用于某型合成孔径声纳接收机的测试，该接收机的工作频率为100～200 kHz，故滤波器设计为带通形式，选用的芯片为MAX275。MAX275是MAXIM公司推出的连续时间有源滤波器芯片，内部包含两个独立的可级联2阶滤波单元，可实现100 Hz～300 kHz的低通或带通输出。选用MAX275设计滤波器具有电路简单(只需外接电阻，无需外接电容)和设计方便(MAXIM公司提供免费的设计软件，无需复杂计算)的特点。本文设计的12阶Chebyshev型带通滤波器如图3所示。其中心频率为150 kHz，带宽240 kHz，过渡带25 kHz，通带内最大衰减为1 dB，阻带内最小衰减为20 dB。图3中电阻值由MAXIM公司提供的设计软件生成。该软件在设计者输入滤波器的功能和性能指标后，经过一系列的优化后能自动计算出外接电阻的阻值，并可以观察和打印滤波器的频率特性。实际观察到该滤波器在5 kHz以内和300 kHz以外其衰减都达到了-50 dB。

一种声纳接收机测试用信号源的设计第4张

2.3幅度调节模块

由于声纳工作时近程目标的回波较强，而远程目标的回波较弱，为了补偿传播损失，得到远近场均匀一致的声纳图像，一般都采取TVG(Time Variable Gain，时变增益)控制。对于较远目标的回波施加较大的TVG控制电压，这时接收机的增益变大，这样就使得接收机增益的动态范围很大。本文设计的信号源用于某型合成孔径声纳接收机的测试。该接收机的增益为0～120 dB，因此对其测试所施加的信号源幅度也应该在120 dB范围内变化，否则会使接收机的输出饱和。

本文采用AD7111进行信号幅度的调节。AD7111是AD公司推出的对数D／A转换器(LOGDAC)。它通过8位输入数据来控制对输入信号Vi的衰减量，衰减范围为0～-88.5 dB。电路的传输函数为：

一种声纳接收机测试用信号源的设计第5张

从AD9850输出的信号幅度VoAD9850=Io×Ro=10.24×100=1.024 V，带通滤波器在通带内的衰减小于1 dB，待测试的声纳接收机最大增益为120 dB时，需要将带通滤波器输出的正弦衰减120 dB，这样将测试信号加入接收机后，接收机输出的信号仍为1 V左右而不至于饱和。单片AD7111最大可以将输入信号信号衰减88.5 dB，但是随着衰减量的增大，误差也增大。因此本文使用了两片AD7111，每片AD7111最多将信号衰减60 dB，两片AD7111都工作在线形衰减区，从而保证了整个幅度调节电路具有较小的误差，具体电路如图4所示。

一种声纳接收机测试用信号源的设计第6张

图4中的R1和R3用来调节精确的0 dB，即当单片机控制D7～D0都为低电平时，调节R1和R3，使得幅值调节电路中输入输出的信号幅值相等，两级衰减电路要分开调节，以减小误差；图4中AD711为输入偏置电流小于10 nA的运放，可以用其他同类性能优良的运放代替；另外由于不需要小于1.5 dB的衰减分辨率，所以图4中AD7111的D3～D0都接地了。由于衰减后的信号可能十分微弱，所以对AD7111的控制信号采取了光耦合，对整个幅度调节电路采取了屏蔽措施。

3软件设计

软件主要是用来控制DDS芯片产生一定频率的信号和控制AD7111对信号幅度进行调节。其程序流程如图5所示。

一种声纳接收机测试用信号源的设计第7张

下位机工作过程为：初始化完成后等待上位机的中断，中断发生后接收信号频率和幅度控制字，并分别对AD9850和AD7111写入控制字，然后继续等待上位机的中断。

4测试方法

将设计的信号源接入杭州爱华仪器有限公司出品的AWA5810A型测量放大器中，控制信号源输出30 kHz的正弦波，然后逐步对信号源输出的信号幅度进行衰减，再利用测量放大器对其幅度进行测量。实验表明，将信号源输出的信号衰减90 dB，调节测量放大器的增益为90 dB，测量放大器仍指示1.0 V，这表明该信号源至少能输出32.4 μV的正弦信号。

5结语

详细介绍了一种声纳接收机测试用信号源的设计方法，并对其进行了测试。实验表明，该信号源能精确控制输出信号的频率和幅度，并可使其输出信号的幅度达到10μV级。设计的信号源可以推广为通用的声纳接收机测试用信号源，所以具有广阔的应用空间。

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