水声弱信号放大毕业设计.docx
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水声弱信号放大毕业设计
XXXX大学
本科毕业设计（论文）
学院XXXX
专业
学生姓名
班级学号
指导教师
二零一零年六月
XXXX本科毕业论文
水声弱信号放大技术
UnderwaterWeakSignalAmplificationTechnology
XXXX大学
毕业设计（论文）任务书
学院名称：
专业：
学生姓名：
学号：
指导教师：
职称：
毕业论文（设计）任务书
学院：
专业：
学号：
姓名：
指导教师：
职称：
2010年3月1日
毕业设计（论文）题目：
水声弱信号放大技术
一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等）
1提供条件：
DSP开发板、MATLAB、PROTEL99软件等；
2设计内容与要求:
（1）调研收集分析有关资料，总结水声弱信号放大技术的结构特点；
（2）确定水声弱信号放大技术的结构设计总体原则;
（3）进行水声弱信号放大技术的统结构规范计算;
（4）绘制水声弱信号放大技术的电路框图、程序流程图等；
（5）设计水声弱信号放大技术的电路图。
二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）
1.毕业设计论文一份（不少于1.5万字）；
2.外文译文一篇（不少于5000英文单词）；
3．水声弱信号放大技术的电路图。
三、完成日期及进度
自2010年3月1日起至2010年6月27日止进度安排：
第一—三周（3月1日-3月21日）：
1、熟悉课题；
2、查阅资料；
3、翻译外文文献；
4、完成开题报告。
第四—八周（3月22日-4月25日）：
1、熟悉DSP单片机硬件结构，掌握常用模块的设计原理；
2、硬件、软件设计。
第九—十一周（4月26日-5月16日）：
1、硬件、软件调试（若有条件）。
2、完成中期检查报告。
第十二—十五周（5月17日-6月13日）：
撰写毕业设计论文。
第十六周（6月14日-6月20日）：
1、交论文；
2、完成毕业设计验收。
第十七周（6月21日-6月27日）：
毕业答辩。
五、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:
1．《水声换能器及基阵》国防工业出版社1984.12
2．《声纳技术》哈尔滨工程大学出版社2000.3
3．《夹心式压电换能器及其应用》科学出版社2006.12
4．《信号放大电路》电子工业出版社1995.4
5．《信号处理方法与应用》机械工业出版社2008.6
6．《压电换能器和换能器阵》北京大学出版社2005.7
7.《水声换能器技术》海洋出版社1999.6
8.《超声换能器的原理与设计》科学出版社2004.6
9．《实用声纳工程》电子工业出版社2004.9
10.《数字式声纳设计原理》安徽教育出版社2002.11
11.《电路》第四版高等教育出版社1999.6
12.《电子技术基础》高等教育出版社2006.1
系（教研室）主任：
（签章）年月日
学院主管领导：
（签章）年月日
摘要
针对远距离声源发射的水声信号微弱、水声接收设备电源能量有限的特点，提出一种功耗小、对无源元件误差灵敏度低、高增益放大的微弱水声信号通用放大电路。
系统采用仪表放大器或场效应管共源单调谐放大器作为前置放大器，有四级级联低功耗运放构成带通滤波放大电路，省去传统的R、C低通网络，实现了对微弱信号的高增益放大和海洋背景噪声的归一化处理。
采用低噪声电流反馈运算放大器能扩展测量的频带。
通过计算机对接收机增益进行智能化控制，既避免了放大器饱和，又使得采样的量化误差最小。
由软件控制选择滤波器，这样可以在很宽的频带获得低噪声的信号。
通过计算电路网络传递函数极点证明了电路系统的稳定性。
使用表明系统具有精度高、适应性强、电路稳定性好、功耗小等优点。
关键词：
高增益；预白化；前置放大；稳定；低功耗
Abstract
Fortheproblemofthesmallsignalwhichtravelsfromthedistanceandthelimitedpowerofacousticreceiverunderwater,akindofdesignforacousticgeneralamplifierispresentedwithlowpowerconsumption,highgainamplificationandlowsensitivitytotheerrorsofpassiveelements.Theelectro-circuitsystemismadeupofInstrumentationAmplifierorpreamplifierandband-passfilterwhichcomprisesfouroperationalamplifiersinseriesinsteadofRClow-passnet.Thisdesignisappliedtopossesscapabilitiesthatthehighgainamplificationofsmallsignalandpre-whiteningprocessofseanoisebackground.Theuseoflow-noisecurrent-feedbackoperationalamplifierexpandsthebandwidthofmeasurement.Thesmartgain-controlofthereceivernotonlyavoidtheamplifiersaturation,butalsominimizesthediscreteerror.Theselectionoffilteriscontrolledbysoftware,sothatlow-noisesignalcanbeacquiredinawidefrequencyband.Thecomputationofpolesofthetransferfunctionshowsthatthedesignedamplifierisstable.Seatestprovesthatthesystemhasmeritsofhighprecision,goodadaptability,stableperformanceandlowpowerconsumption.
Keywords:
highgain;pre-whitening;preamplifier;stability;lowpowerconsumption
4.2后级放大的方针结果----------------------------------------------------------------26
第一章绪论
水声弱信号放大技术是指在水声环境中利用换能器将水声信号转换成电信号，通常这种电信号是很微弱的，然后通过前置放大器仪表放大器和多级限幅放大器把微弱信号放大成我们可以识别的电信号。
对于水下声学设备，要求电路功耗小，以满足设备长时间工作需要，所以必须要对接收机电路进行低功耗设计。
远距离声源发射的水声信号到达接收设备时已经非常微弱，在水声换能器产生的电压信号通常只有十几微伏，往往淹没在背景噪声之中，因此必须对十几千赫兹的水声信号进行宽带滤波和无失真放大。
如果采用宽带型运算放大器容易带来功耗较高的问题，以往设计有源带通滤波电路时常把运放假设为理想运放而不考虑实际运放高频相应下的低通特性；或者把运放的有限增益带宽积作为限制通频带宽的不利因素，极少利用实际运放的低通特性。
本文设计一种应用于定位声纳接收机的低功耗滤波放大电路，采用四级低功放和R、C高通网络相级联。
用四级运算放大器代替传统的R、C低通网络，起到带通滤波和高增益放大的双重作用。
由于滤波电路的性能对分离元的误差非常灵敏，所以这种设计还有一个明显的好处，它可以避免过多R、C分离元件引入电路而造成滤波性能的下降。
为了验证系统的稳定性，通过现行系统中的稳定性判断方法证明系统是稳定的。
该放大电路由前置放大器——仪表放大器和限幅滤波放大器电路组成，能够完成完成对微弱水声信号的宽带滤波、无失真高增益放大和对海洋背景噪声的归一化处理。
1.1国内外发展现状及趋势
运算放大器历经几十年的发展，从原来早期的真空管演变为现在的集成电路，根据不同的应用需求分化出通用型、低电压/低功耗型、高速型、高精度型四大类运放产品。
一般而言，高速运放主要用于通信设备、视频系统以及测试与测量仪表等产品；低电压/低功耗运放方面向手机、PDA等以电池供电的便携式电子产品；高精度运放主要针对测试测量仪表、汽车电子以及工业控制系统等。
通用运算放大器应用最广，几乎任何需要添加简单信号增益或信号调理功能的电子系统都可采用通用运放。
未来放大器市场增长的驱动力主要有三方面：
其一，便携式应用的低功耗要求将推动具有低操作电源电压/电流的放大器增长；其二，高分辨率应用需要能降低噪声和失真度的放大器；其三，由于性能和价格压力持续上扬，因此能够集成其他功能的放大器前景乐观。
1.2研究的目的意义
虽然随着应用需求不断变更，运放供货商必须顺应市场变化推出相应的新产品。
然而因为运放在业界已被广泛采用数十年之久，有些应用产品的生命周期也长达十多年，因此很多传统产品仍有其一定的市场需求，例如在汽车与工业自动化领域，就有很多设备还是需要用到传统的通用运放。
通用运放对工程师而言，可以说是最常用的半导体组件之一。
通过外部电阻的不同配置，一颗运放可以对输入信号进行各种微调后再输出，以符合信号链后端的ADC、电源管理芯片等组件的输入信号要求。
正因为其简单易用的特性，再加上极为经济实惠的价格，因而使得这类放大器始终在出货量上稳居运放市场的主流地位。
然而，为顺应PCB板尺寸不断缩水，以及制造工艺发展所造成的输入电压下降的趋势，通用型运放也必须革新应变。
例如凌特推出的LT1990/1/2/5/6放大器，就集成了精度匹配电阻，不同型号按照高精度、高速度或高电压应用进行优化，可用作反相、非反相或差分放大器连接。
综上所述，未来高速运放有望取代通用运放成为主流产品，但从整体看，各类运放的市场规模都将呈现增长态势。
便携式音频/视频播放器、无线通讯、医疗成像、工业和仪器仪表等应用领域都将为下一代运放创造新的机会。
新应用对运放提出诸如高速、低功耗、高集成度等新的技术要求。
为此，设计人员不断探索新的设计方法，但只从设计着手不足以实现具有竞争力的产品，只有配合适当的制造工艺和封装技术才能将不断优化产品性能，适应新的应用需求。
美国国家半导体（NSC）亚太区放大器产品市场经理胡国佳指出，“运放产品的竞争力其实是电路设计、制造工艺技术、封装技术三者的函数，少了任何一个环节，都无法在市场上推出具有竞争力的产品。
”
众所周知，噪声对运放是非常关键的指标。
在大多数应用中，运放的前面都会有感测组件，其后端则有ADC与处理器，这些组件共同构成一个典型的信号传输路径。
由于运放周边配置的外部组件会带来噪声，如果运放本身的噪声也很大，那么对ADC而言，噪声将会淹没有效信号，这样以来，不管ADC的分辨率与频宽有多少，它输出给处理器的就只有噪声，这极大地影响了系统的正常运作。
所以不管是通用型、低电压/低功耗、还是高精度或高速运放，都需要把组件本身的噪声抑制到最低程度，才能有效实现信号路径的整体匹配，达到最佳的应用效果。
此外，为满足日益丰富的应用需求，放大器不再只是单一的产品，而是与其它器件集成在一起以提升性能与产品价值。
例如在视频放大器中整合滤波、多路技术以及DC恢复等功能。
而且，单一的放大器也需要集成更多特性。
正如凌特的ErikSoule指出，对运放而言，多重特性集成是很重要的，因为设计人员经常要针对某种应用修改20到30个参数以优化放大器的特性和功能，这增加了设计复杂性。
例如，为满足便携式产品低功耗的要求，新的放大器技术需要减小电压和电流噪声，同时还需要进一步降低成本，在更小的封装中集成更多的性能。
综上所诉，研究弱信号放大技术的意义在于怎样把外部噪声和本身噪声降到人们可已接受的范围，解决降低噪声与提高集成度是未来运放发展的瓶颈。
1.3仿真工具的介绍
模拟电路由于其在性能上的复杂性和电路结构上的多样性，对仿真工具的精度、可靠性、收敛性以及速度等都有相当高的要求。
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。
Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。
通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
Multisim被美国NI公司收购以后，其性能得到了极大地提升。
最大的改变就是Multisim与LABVIEB的完美结合。
其新特点如下：
（1）可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器；
（2）所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上；
（3）所有的硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和运算。
Multisim10组成：
（1）构建仿真电路；
（2）仿真电路环境；
（3）单片机仿真；
（4）FPGA、PLD、CPLD等仿真；
（5）通信系统分析与设计的模块；
（6）PCB设计模块：
直观、层板32层、快速自动布线、强制向量和密度直方图；
（7）自动布线模块。
仿真的内容：
（1）器件建模及仿真；
（2）电路的构建及仿真；
（3）系统的组成及仿真；
（4）仪表仪器原理及制造仿真。
可以建模及仿真的器件：
模拟器件（二极管、三极管、功率管等）；数字器件（74系列，COMS系列，PLD，CPLD等）；FPGA器件。
电路的构建及仿真：
单元电路、功能电路、单片机硬件电路的构建及相应软件调试的仿真。
系统的组成及仿真：
Commsim是一个理想的通信系统的教学软件。
它很适合用于如‘信号与系统’、‘通信’、‘网络’等课程，难度适合从一般介绍到高级。
是学生学的更快并且掌握的更多。
Commsim含有200多个通用通信和数学模块，包含工业中的大部分编码器，调制器，滤波器，信号源，信道等。
Commsim中的模块和通常通信技术中的很一致，这可以确保你的学生学会当今所有最重要的通信技术。
要观察仿真结果，你可以有多种选择：
时域，频域，XY图，对数坐标，比特误码率。
沿途和功率谱。
仪表仪器的原理和制造仿真：
可以任意制造出属于自己的虚拟仪器。
仪表，并在计算机仿真环境和实际环境中进行使用。
PCB的设计及制作：
产品级版图的设计及制作
1.4运算放大器的种类及优缺点
1、通用型运算放大器
通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。
这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。
例μA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。
它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。
优点：
主要是价格低廉,技术指标适中,产品的可选择面大。
缺点：
不能满足一点技术指标要求高的产品应用,不能满足一些特殊的技术服务。
2．高阻型运算放大器
这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid＞1GΩ~1TΩ,IB为几皮安到几十皮安。
实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。
常见的集成器件有LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。
优点：
用FET作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点。
缺点：
输入失调电压较大。
3．低温漂型运算放大器
在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。
低温漂型运算放大器就是为此而设计的。
目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。
优点：
放大器的失调电压小且不随温度的变化而变化。
缺点：
应用范围小。
4．高速型运算放大器
在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。
高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。
常见的运放有LM318、μA715等,其SR=50~70V/ms,BWG＞20MHz。
优点：
具有高的转换速率和宽的频率响应。
缺点：
频率特性差（带宽小、速度受限）、功耗大、电源抑制比和共模抑制比差。
5．低功耗型运算放大器
由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。
常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作电压为±2V~±18V,消耗电流为50~250μA。
目前有的产品功耗已达μW级,例如ICL7600的供电电源为1.5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。
优点：
具有功耗低、增益高、工作点稳定、共模范围宽，不易起振，补偿简单及有短路保护等特点。
缺点：
是随着被处理信号的频率越来越高,电压模式电路的固有缺点开始阻碍它在高频高速环境中的应用。
6．高压大功率型运算放大器
运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。
在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。
若要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。
高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。
例如D41集成运放的电源电压可达±150V,μA791集成运放的输出电流可达1A。
优点：
高压大功率型运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。
缺点：
容易引起养分输入过电压，没有足够的相角余度。
7.仪表放大器
放大器应用电路主要应用于传感器接口、工业过程控制、低功耗医疗仪器、热电偶放大器、便携式供电仪器。
在单电源3——12V下提供满电源幅度输出，使设计更为简单；虽为单电源工作方式优化设计，但在±2.5——±6V双电源时，仍有优良性能；增益通过一只外接电阻可方便地调节．无外接电阻时，被设置为单位增益（G=1），接人电阻时，增益可高达1000；共模抑制比随增益的增加而增大，保持最小误差；具有较宽的共模输入范围，可以放大具有低于地电平150mv的共模电压信号；高精度直流、交流性能。
优点：
低功耗，宽电源电压，适合电池供电电路，线性度、温度稳定性、可靠性好。
缺点：
无法过滤杂波。
第二章水声弱信号放大的基本原理
水声弱信号放大技术跟声纳技术差不多。
都是捕捉水下声波信号，利用换能器将水生信号转换成电信号。
这时的电信号还不能用，必须经过放大、过滤杂波，用显示器显示出我们看的懂的有用电信号。
其原理图如下：
图2-1水声弱信号放大原理图
2.1夹心式压电陶瓷换能器介绍
压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。
所谓压电效应是指某些介质在受到机械压力时，哪怕这种压力像声波振动那样微小，都会产生压缩或伸长等形状变化，引起介质表面带电，这是正压电效应。
如今压电陶瓷已经被科学家应用到国防建设、科学研究、工业生产以及和人民生活密切相关的许多领域中，成为信息时代的多面手。
在航天领域，压电陶瓷制作的压电陀螺，是在太空中飞行的航天器、人造卫星的“舵”。
依靠“舵”，航天器和人造卫星，才能保证其既定的方位和航线。
传统的机械陀螺，寿命短，精度差，灵敏度也低，不能很好满足航天器和卫星系统的要求。
而小巧玲珑的压电陀螺灵敏度高，可靠性好。
在潜入深海的潜艇上,都装有人称水下侦察兵的声纳系统。
它是水下导航、通讯、侦察敌舰、清扫敌布水雷的不可缺少的设备，也是开发海洋资源的有力工具，它可以探测鱼群、勘查海底地形地貌等。
在这种声纳系统中，有一双明亮的“眼睛”，压电陶瓷水声换能器。
当水声换能器发射出的声信号碰到一个目标后就会产生反射信号，这个反射信号被另一个接收型水声换能器所接收，于是，就发现了目标。
目前,压电陶瓷是制作水声换能器的最佳材料之一。
在医学上，医生将压电陶瓷探头放在人体的检查部位，通电后发出超声波，传到人体碰到人体的组织后产生回波，然后把这回波接收下来,显示在荧光屏上，医生便能了解人体内部状况。
压电陶瓷也广泛用于日常生活中。
用两个直径3毫米、高5毫米的压电陶瓷柱取代普通的火石制成的气体电子打火机，可连续打火几万次。
利用同一原理制成的电子点火枪是点燃煤气炉极好的用具。
还有一种用压电陶瓷元件制作的儿童玩具，比如在玩具小狗的肚子中安装压电陶瓷制作的蜂鸣器，玩具就会发出逼真有趣的声音。
在超声波及水生学研究领域，夹心式压电陶瓷换能器得到了极为广泛的应用。
此类换能器主要有中心压电陶瓷片、前后金属盖板、预应力螺栓、金属电极片一级预应力螺旋绝缘套管等组成。
其主要特点包括：
（1）既利用了压电陶瓷振子的纵向效应，有得到了较低的共振频率。
（2）由于压电陶瓷本身的特点，即抗张强度差，在大功率工作状态下容易发生破裂，通过采用金属块一级预应力螺栓给压电陶瓷圆片施加预应力，使压电陶瓷圆片在强烈的振动时始终处于压缩状态，从而可以避免压电陶瓷片的破裂。
（3）由于压电陶瓷属于一种绝缘材料，其导热性能差，在大功率状态下极易发热，从而造成能量的转换效率下降。
在夹心式压电陶瓷换能器中，由于使用了金属前后盖板，换能器的导热性能会得到很大改善。
只要金属材料与压电陶瓷材料的厚度一级横向尺寸选择适当，压电陶瓷材料弹性的温度系数可以由金属材料弹性常数的温度系数加以补偿，因此夹心式压电陶瓷换能器的频率温度系数可以做的很小，其温度的稳定性也比较好。
在夹心式压电陶瓷换能器中，通过改变压电陶瓷材料的厚度、形状和前后金属办的尺寸及形状，可以获得不同的工作频率和其他一些性能参数，以适应不同的工作环境和应用场合。
下图是一个具有中间后点击的夹心式压电陶瓷换能器的集合示意图。
图2-2具有中间厚点击的夹心式压电陶
瓷换能器的集合示意图
为了简化分析，假设换能器是一个对称结构，其前后金属盖板的材料、形状和集合尺寸相同。
在图1中，
表示压电压电陶瓷元件的长度，
是换能器前后金属办的长度，
表示换能器中心后点击的长度。
由于换能器是中心对称结构，因此其位移节点于换能器的几何中心，即换能器的厚电极的中心。
另外由于大部分功率换能器基本上工作于换能器的基频，因而换能器本身是一个半波长结构振子，它由两个对称的
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