水聲信號(hào)功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在現(xiàn)代主動(dòng)聲納系統(tǒng)中，往往需要針對(duì)不同背景噪音以及不同的要求，適時(shí)地選擇信號(hào)波形，工作頻率，信號(hào)時(shí)間寬度，帶寬等。例如，常用的信號(hào)有單頻矩形脈沖(CW)，線性調(diào)頻脈沖信號(hào)(LFM)，雙曲線調(diào)頻信號(hào)等。不同的信號(hào)具有不同的特性。對(duì)于相同的多普勒分辨率，LFM脈沖的試驗(yàn)分辨能力要高于CW脈沖，而對(duì)于相同的時(shí)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(shí)，相對(duì)于長(zhǎng)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(shí)，長(zhǎng)CW脈沖比LFM脈沖信號(hào)抗混響效果要好。
本文所提到的水聲信號(hào)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(hào)源，可以通過(guò)編寫程序方便產(chǎn)生所需的信號(hào)。其所產(chǎn)生的信號(hào)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(hào)具有很大難度，所以產(chǎn)生的都是矩形信號(hào)，而且信號(hào)的幅度、功率均很小。為解決這一問(wèn)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(hào)轉(zhuǎn)換為正弦信號(hào)，并進(jìn)行幅度和功率放大，以滿足換能器對(duì)信號(hào)的要求。

1 總體設(shè)計(jì)

由式(3)可以得出以下結(jié)論：周期信號(hào)的傅氏變換在各諧波頻率處是一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)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(jì)一電路將矩形周期信號(hào)的基頻諧波分量分離出來(lái)，便達(dá)到了將矩形周期信號(hào)轉(zhuǎn)換為正弦信號(hào)的目的。圖1為系統(tǒng)總體框圖。

由于上級(jí)電路產(chǎn)生的矩形信號(hào)幅度很小，所以先通過(guò)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(guò)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(guò)調(diào)整電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)整增益。這樣整個(gè)系統(tǒng)最終的輸出信號(hào)幅度便可以通過(guò)PC機(jī)控制。矩形信號(hào)經(jīng)過(guò)巴特沃思濾波器濾波后轉(zhuǎn)換為正弦信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大濾波，便可傳給大功率運(yùn)放轉(zhuǎn)換為大功率信號(hào)。最后通過(guò)變壓器驅(qū)動(dòng)換能器以產(chǎn)生聲信號(hào)。

2 電路設(shè)計(jì)
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(guò)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(gè)UART(通用異步收發(fā)器)。用UART實(shí)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(lái)轉(zhuǎn)換電平。其電路圖如圖2所示。