水声信号功率放大器的设计与实现

根 据 单 片 机 多 机 通 信 特 点 ，PC 机 如 果 要 与 指 定 的 单 片 机 实 现 点对 点 通 信，必 须 满 足 下 列 条 件 ：PC 机 串 口 信 息 帧 格 式应同单片机一致， 包括 1 位起始位、1 位 停 止位 、8 位 数 据 位 1 个第 9 位，本系统选定波特率为 9 600 b/s。 单片机[3]所需 程序的流程图如图 3 所示。 单片机的主要工作就是响应串口
图 1 系统总体框图 Fig. 1 Overall block diagram of system
由于上级电路产生的矩形信号幅度很小，所以先通过前 置放大模块进行初步幅度放大和滤波。 前置放大模块的放大 增益可控。 PC 机通过 RS232 接口与单片机通信，单片机接收 到 PC 机发出的信息后，再通过调整电阻网络调整增益。 这样 整个系统最终的输出信 号 幅 度便 可 以 通过 PC 机 控 制。 矩 形 信号经过巴特沃思滤波器滤波后转换为正弦信号，再经过放 大滤波，便可传给大功率运放转换为大功率信号。 最后通过
n=∞
Σ f（t）= Aτ
sin（nΩτ/2）
jnΩtห้องสมุดไป่ตู้
e
T n=-∞ nΩτ/2
（2）
本文所提到的水声信号发生系统采用多功能的数据采 集接口板作为信号源，可以通过编写程序方便产生所需的信
再对其进行傅氏变换，结果可以写成：
号。 其所产生的信号稳定，精度高，并且修改容易，通用性强。 但由于要直接产生满足要求的正弦信号具有很大难度，所以
有良好的抑制作用。 经调试该电路工作稳定正常，输出波形无失真，在输出功率以及放大增益、波纹系数等方面均满
足设计要求。
关键词： 巴特沃思滤波器； 大功率运放； RS232； 单片机
中图分类号： TN72
文献标识码： A
文 章 编 号 ：1674－6236（2010）11-0054-04
Design and implementation of underwater acoustic power amplifier
第 18 卷 第 11 期 Vol.18 No.11
电子设计工程 Electronic Design Engineering
2010 年 11 月 Nov. 2010
水声信号功率放大器的设计与实现
杨成伟， 苗康乐， 刘纯贵 （海军航空工程学院 山东 烟台 264001）
摘要： 设计了水声信号发生系统中的功率放大电路，可将前级电路产生的方波信号转换为正弦信号，同时进行滤波、
变压器驱动换能器以产生声信号。
2 电路设计
该电路按如前所述的功能，可以将其划分为串口通信模 块、前置放大模块、巴特沃思低通滤波模块以及大功率运放 模块。 2.1 串口通信模块
系统通过标准 RS232 接口与 PC 机进行通信 。 该串口通 信模块的核心是单片机 AT89C52，其带有一个 UART（通用异 步收发器）。 用 UART 实现串口通信非常容易，其收发协议与 标准 RS232 接口是一致的，只是在电气特性上有差异 ：UART 采用的是 CMOS 电平，而 RS232 接口则采用 RS232 电平[2]。因 此该电路采用了 MAX202 电平转换器来转换电平。 其电路图 如图 2 所示。
MF6[5]是 6 阶 巴 特 沃 思 低 通 滤 波 器 ，其 工 作 频 率 范 围 是 0.1~10 kHz。 由于采用了交换电容技术，MF6 工作时所需的外 设很 简 单 ，MF6 的截 断 频 率 fs 是 通 过 一个 外 界 输 入 的 参 考 频 率 fi 进 行 调 节 。 fi 是 频 率 为 fs 的 1/100 或 1/50 符 合 TTL 或 CMOS 电 平 的 时 钟 信 号 。 参 考 信 号 的 电 平 类 型 可 通 过 控 制 位 进 行 控 制 。 当 参 考 频 率 为 125 kHz 时 ， 实 测 截 断 频 率 为 1.25 kHz。 其通带内平坦，带外衰减线性程度好，满足要求。
当前一级的数据采集接口板产生信号时，同时还会产生 一 个原 信 号 频率 适 当 倍数 的 参 考信 号 。 在 该电 路 中 ，MF6 的
－56－
截断频率设在信号的一次谐波频率与二次谐波频率之间。 由 于周期信号具有离散频谱，一次谐波频率位于通带内，其他 谐波则被衰减。 因此通过其滤波后，矩形信号便转化为同频 率的正弦波。 2.4 大功率运放
图 5 前置放大器电路 Fig. 5 Pre-amplifier circuit
2.3 巴特沃思低通滤波器 巴特沃思又称为最平的滤波器， 其具有带通内极大平
坦，过渡带与阻带单调性良好等特点。 随着阶数的增加其特 性更接近理想等优点，因此成为信号处理中应用最广泛的几 种滤波器[4]之一。 为了使输出的正弦信号不出现失真 ，同时保 留原有信号的幅度信息，因此需要滤波器带通内增益平坦无 波 动 ，所 以采 用 巴 特沃 思 滤 波器 。 这 里 通过 集 成 滤波 器 MF6 实现 6 阶巴特沃思低通滤波器。
功率放大，使其满足换能器对输入信号 的要 求 。 该 电路 以 单 片机 AT89C52，集 成 6 阶巴 特 沃 思低 通 滤 波芯 片 MF6 以
及大 功 率 运算 放 大 器 LM12 为 核 心 ，通过 标 准 RS232 接口 与 PC 进 行通 信 ，实 现信 号 增 益的 程 控 调节 ，对 干 扰 信 号 具
中断，当有信号由串口传来，单片机接收并识别内容，然后按 照内容将事先安排好的控制位拉高，达到选通某一路模拟开 关的作用。
图 3 主程序与中断响应程序流程图 Fig. 3 Flow chart of main program and interrupt respone 2.2 前置放大模块 由于该部分电路只是对信号进行预处理， 采用由运放、
，A，- τ ＜t＜ τ
f（t）=
22
（1）
0，其他
高于 CW 脉冲 。 当目标多普勒频 移 较 小时 ，相 对 于长 CW 脉 冲而言 ，LFM 脉冲具有较小的模糊面积， 受到少一些的混响
将其展开为傅氏级数：
影 响 ，而 当目 标 多 普勒 增 大 时 ，长 CW 脉 冲 比 LFM 脉 冲 信 号 抗 混 响 效 果 要 好[1]。
YANG Cheng-wei， MIAO Kang-le， LIU Chun-gui （Naval Aeronautical University， Yantai 264001， China）
Abstract: This paper presented a design and implementation of underwater acoustic power amplifer. This circuit converted the rectangle signal generated by front-end circuit into the sine signal， then filtered and power amplification， it meets the requirements of the transducer.Included AT89C52， 6th order Butterworth filter MF6， hi-power amplififier LM12. Communication with PC through the RS232 port. The signal gain is adjustable and could be remote controlled. It has a good inhibitory effect on the interference signal. After debugged， this circuit works stable， the output waveform has no distortion， it meets the design requirement in outprt power， amplifier gain and ripple factor. Key words: Butterworth filter； power amplifer； RS232； MCU
在现代主动声纳系统中，往往需要针对不同背景噪音以 及不同的要求，适时地选择信号波形，工作频率，信号时间宽
1 总体设计
度，带宽等。 例如，常用的信号有单频矩形脉冲（CW），线性调
对于一周期矩形信号：
频脉 冲 信 号 （LFM），双 曲 线 调频 信 号 等 。 不 同 的 信号 具 有 不 同的特性。 对于相同的多普勒分辨率 ，LFM 脉冲的试验分辨 能力要高于 CW 脉冲 ， 而对于相同的时延分辨力，LFM 则 要
n=∞
Σ X（jw）= cn δ（ω-nΩ）
（3）
n=-∞
产生的都是矩形信号，而且信号的幅度、功率均很小。 为解决 这一问题，这里提出了功率放大电路，将数据采集接口板产 生的矩形信号转换为正弦信号， 并进行幅度和功率放大，以 满足换能器对信号的要求。
由 式 （3）可 以 得 出 以 下 结 论 ：周 期 信 号 的 傅 氏 变 换 在 各 谐 波频率处是一个无限长的等间距的冲击序列。 周期函数具有 离散的傅氏变换频谱。 如能设计一电路将矩形周期信号的基 频谐波分量分离出来， 便达到了将矩形周期信号转换为正弦
在实 际 电 路中 就 是 通 过 调 节 R2 的 值 达 到 调 整 放 大 增 益 的目的，图 5 为前置入大器电路。 实际电路中，运放的输出端 并联了 12 个不同阻值的电阻。 同时，电阻另一端分别与模拟 开关 的 12 个 输入 端 相 连，而 所 有 模拟 开 关 的 12 个 输 出 端 都 与运放反向输入端相连。
收 稿 日 期 ：2010-03-22
稿 件 编 号 ：201003100
信号的目的。 图 1 为系统总体框图。