一种声纳接收机测试用信号源的设计

摘 要:设计一种声纳接收机测试用信号源,该信号源的工作原理基于DDS技术和对数DAC。实验表明,该信号源能精确控制输出信号的频率和幅度,并可使其输出信号幅度达10 μV级。

关键词:声纳;接收机测试;信号源;DDS

中图分类号:TN914文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)01-103-03

Design of Signal Source in Sonar Receiver′s Testing

ZHU Shanlin,LI Fang

(Naval University of Engineering,Wuhan,430033,China)

Abstract:A signal source in sonar receiver′s testing is designed,its working principle is based on DDS technology and log DAC.The experiment proves that the signal source can control its output signal′s frequency and amplitude precisely,beside this,the output signal′s amplitude can reach 10 μV level.

Keywords:sonar;receiver testing;signal source;DDS

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。

图1 信号源的系统框图

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[1]。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[2,3]。由于430单片机的数字I/O比较丰富,故采用并行接口方式[4],单片机对AD9850进行编程时,先使FQUD信号变低,然后在WCLK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FQUD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:

Δf=fCLK/232=12 MHz/2320.002 8

(1)

设W为AD9850的频率控制字,由fo=WΔf=W×12×106/232

得:

W=(fo×232)/(12×106)

(2)

图2 频率合成模块电路

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

由于相位累加舍入、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[5]。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[6]。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。

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[7]0～-88.5 dB。电路的传输函数为:

Vo=-Vi10exp-0.375N20

或:

Vo/Vi=-0.375N

式中:N为8位二进制数,0≤N≤239。

从AD9850输出的信号幅度VoAD9850=Io×Ro=10.24×100=1.024 V[8],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。

图3 带通滤波器的电路

图4 幅度调节电路

图4中的R1和R3用来调节精确的0 dB[9],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[10];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。

图5 软件流程图

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10 μV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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