1信号调理电路的设计
信号调理电路是在没有使用AD转换之前对原始水声信号的处理电路，该模块电路由前端信号放大板、信号滤波板和放大增益调节板3个部分组成。原始的水声信号在传送到信号采集模块前，第一步先经过前端信号放大电路进行较小倍数的放大，主要是为了进行阻抗匹配；第二步经带通滤波电路，获得所需频带内的信号，同时在带通滤波电路中设计由程序控制的可调增益电路，实现可调可控的放大倍数，第三步处理过后的信号进行数模转换[1-2]。综合考虑整个系统指标要求后，信号调理电路设计思路见图1。
2差分放大电路的设计
差分电路共有1个输出端和2个输入端，可以将电压值在2个输入端进行比例放大。该类型电路可以有效地抑制干扰，并最大程度消除共模噪声；因输入阻抗比较大，有利于匹配前端传感器；噪声非常低，差分放大器折算到输入端的噪声一般都会低于10nV/Hz姨，所以差分放大电路非常适用于检测交流微弱信号。选用AD8221作为前端差分放大器,第一级增益通过电阻R调节，其传递函数为G=1+49.4kΩ/R，可将传感器输出的差分信号转换成单端信号，利于后续的信号处理。使用纹波较小的蓄电池作为电源，而且进行了旁路去耦处理（见图2），在靠近各电源引脚处设计了1个0.1μF电容用于滤除高频干扰，在离该器件较远的电源处还使用了1个10μF的钽电容用于滤除低频干扰。图2中所示的此种电路连接方式可以改善交流小信号分辨率。在保持较大增益状态下能够使放大器的输入噪声降低到8nV/Hz姨，达到减小本底噪声的效果，利于微弱交流信号的采集与测量。电路中第一级增益为40dB，通过前级运放输出端的积分器反馈，网络消除经100倍放大后的直流失调电压，也降低了电路中的噪声系数。低频时，OP1177会使AD8221的输出降至0V。当输入信号频率高于fHIGH_PASS=1/2πRC，AD8221就输出经放大器放大后的信号。由此设计提升了电路检测小信号的性能，也相当于增加了一级高通滤波电路。
3滤波器电路的设计
运用LT公司的八阶低通滤波器LT1069-1作为低通滤波元器件，配合上一级的高通滤波电路，形成了一款带通滤波电路，可准确获取性能要求中的频带内信号。
4反相放大电路的设计
图3所示的电路为反相放大电路，为了减小电路系统里的直流噪声，将对地电阻R12接入运放同相输入端。该电阻还可以降低输入偏置电流和失调电流等因素对整个电路造成的不良影响。
5差分ADC驱动电路的设计
电路中的模数转换驱动器芯片使用了AD8137，该芯片在比较宽的频率范围内可以使共模反馈回路产生非常均衡的输出，而且在不需要使用外部元件条件下就可以强制将输出端的共模电压分量置零。输出所需的信号幅度完全一致，只是输入输出的相位相差180°，最终输出的噪声是计算数个独立信号源的均方根之和。因为这些信号源是独立计算的，所以须将每个信号源的贡献值单独归入后再计算均方根[3-4]。表1是该芯片生产厂家提供的在不同的闭环增益条件下电阻值与带宽和输出噪声的估算值。由表1可知，当设置的增益为1时总输出噪声为最低，但是因本设计中前面的几级放大电路已经满足指标放大60dB的要求，因此这一级的增益可设置成0dB，这样就大大降低了单端转差分时的系统噪声。基于上述硬件设计的信号调理电路，采集信号时对原始信号波形失真小，等效输入噪声小，通带纹波小，而且增益动态调节范围大，得益于该模拟电路在低噪声性能方面的设计，使整个系统可以有高效且精准的采集微弱的交广东职称流信号。
作者：项顼 宋大雷 李腾 单位：山东省科学院海洋仪器仪表研究所 山东省海洋仪器仪表科技中心 中国海洋大学
