带直流伺服的水声信号接收电路_张浩.pdf

2023年第47卷第4期46水 声 工 程水 声 工 程nderwater Acoustic EngineeringU文献引用格式：张浩.带直流伺服的水声信号接收电路 J.电声技术，2023，47（4）：46-48.ZHANG H.Underwater acoustic signal receiving circuit with DC servo circuitJ.Audio Engineering，2023，47（4）：46-48.中图分类号：TN722 文献标识码：A DOI：10.16311/j.audioe.2023.04.012带直流伺服的水声信号接收电路张 浩（中国船舶集团第七一五研究所，浙江 杭州 310023）摘要：设计了一种带有直流伺服的水声信号接收电路，主要解决电荷放大型水声信号接收电路在环境噪声、温度变化以及水压偏置等因素的影响下产生直流偏置，进而导致水声信号堵塞的问题。引入直流伺服电路，通过负反馈机制实时调节输入信号和输出信号之间的差异，从而提高了接收电路的稳定性和准确性。该设计能够有效抑制低频干扰，具有更好的动态特性，为该领域的研究和应用提供了可供参考的技术手段。关键词：水声信号接收电路；直流伺服电路；比例-积分-微分（PID）控制Underwater Acoustic Signal Receiving Circuit with DC Servo CircuitZHANGHao(715ResearchInstituteofChinaStateShipbuildingCorporation,Hangzhou310023,China)Abstract:AnunderwateracousticsignalreceivingcircuitwithDCservoisdesigned,whichmainlysolvestheproblemthattheunderwateracousticsignalreceivingcircuitwithchargeamplifiergeneratesDCbiasundertheinfluenceofenvironmentalnoise,temperaturechangeandwaterpressurebias,whichleadstounderwateracousticsignalblockage.TheDCservocircuitisintroducedtoadjustthedifferencebetweeninputsignalandoutputsignalinrealtimethroughnegativefeedbackmechanism,thusimprovingthestabilityandaccuracyofthereceivingcircuit.Thisdesigncaneffectivelysuppresslow-frequencyinterferenceandhasbetterdynamiccharacteristics,whichprovidesareferencetechnicalmeansforresearchandapplicationinthisfield.Keywords:underwateracousticsignalreceivingcircuit;DCservocircuit;Proportional-Integral-Differential(PID)control0 引 言水声信号经水听器转换为电信号后由接收电路进行前置放大，其中电荷放大型接收电路因输入阻抗高、低频噪声良好的特性1-5，成为低频低噪声水声信号接收器的重要研究方向6。在实际应用中，水听器在水下平台下潜、上浮等深度变化或低频噪声较大时会产生明显的直流偏置，温度变化和放大器偏置等因素也会导致类似偏置7-10，这将导致接收电路输出偏置过大，进而引起水声信号的 堵塞。为了降低直流偏置对信号动态范围的影响，可在接收电路中引入直流伺服电路。直流伺服电路可通过负反馈机制实时调节输入信号和输出信号之间的差异，从而高精度、高稳定地放大水声信号。该设计在接收电路中能够有效抑制低频噪声和温度的影响，还能提供更好的动态特性。1 设计原理及分析基本电荷放大型接收电路如图 1 所示，该电路在实际使用过程中存在输出信号有直流偏置的问题。UHCHIBRf+5V-5VCfCH=1.1nFCf=22pFRf=10G图 1 电荷放大型接收电路当水声信号中由于受深度变化、温度变化等因作者简介：张 浩（1991），男，硕士，工程师，研究方向为电子信息设备。E-mail：。2023年第47卷第4期47Underwater Acoustic EngineerinG水 声 工 程水 声 工 程素的影响存在输入端偏置电流（IB）时，该电流流经反馈电阻 Rf，输出端将产生偏置电压，即UB=-IBRf（1）以 OPA140 运算放大器（以下简称运放）为例，根据使用手册给出的参数，室温（25）环境下的输入偏置电流为 10 pA，对应地将在输出端产生100 mV 的输出偏置。当温度升高，按照手册中参数，40 125 环境下的偏置电流达到 3 nA，计算得到输出端偏置电压为 30 V，超出了运放的供电电压，此状态下电路将无法正常工作。因此，有必要采取措施抵消输入偏置电流对输出偏置的影响。具体思路是，借鉴比例-积分-微分（Proportional-Integral-Differential，PID）控制的思想，引入反馈环节，消除误差量（输出直流偏置）。在自动控制原理中，积分控制（I 控制）的作用是消除系统稳态误差，适用于消除输出偏置的电路。在基本电路的基础上引入积分控制电路，此时的接收电路如图 2 所示。+5V-5VUHCHIBRfCfR3R4C3C4+5V-5VCH=1.1nFCf=22pFRf=10GR3=R4=18MC3=C4=2.2F图 2 带积分控制的接收电路当输出信号偏置增加，通过积分环节产生反向控制量反馈到正输入端，将电路工作点拉下来，从而使输出端偏置电压降低。加在正输入端的控制量对输出量的传递系数为 1，即当输出端产生 U0的偏置电压，需在正输入端产生对等的控制电压（-U0）。以图中参数计算，假设反馈回路运放的输出电压范围（也即同向输入端共模电压输入范围）为 5 V（实际要小），则对应的可校正输入偏置电流范围为 0.5 nA，无法满足 3 nA 的设计需求，因此电路需要进一步改进。根据式（1），输出偏置电压较大的原因是偏置电流流经的反馈电阻 Rf太大，如果可以减小反馈电阻阻值，则输出偏置电压也随之减小。然而，减小反馈电阻将增大电路低频截止频率，因此需要使用小电阻来实现大电阻的反馈效果，同时不影响低频频响。在电荷放大型接收电路的基础上，将反馈电阻换为 T 型电阻网络，此时的接收电路如图 3 所示。+5V-5VUHCHIBRfR1R2CfCH=1.1nFCf=22pFRf=1GR1=100R2=900图 3 带 T 型网络的接收电路T 型电阻网络的作用是使用较小电阻实现大电阻的反馈效果，等效阻值为2ff1=1RRRR+|（2）取 Rf=1 G，则等效电阻 Rf=10 G，低频截止频率不变。在带 T 型网络的接收电路的基础上添加积分控制环节，得到带直流伺服电路的接收电路，如图4 所示。+5V-5VUHCHIBRfR1R2CfR3R4C3C4+5V-5VCH=1.1 nFCf=22 pFRf=1 GR1=100 R2=900 R3=R4=18 MC3=C4=2.2 F图 4 带直流伺服电路的接收电路2023年第47卷第4期48水 声 工 程水 声 工 程nderwater Acoustic EngineeringU输出信号的偏置电压为()2BfB122BfBM11=111RRRRRUUR IR+=+|（3）从式（3）可以看出，U+对 RfIB的调节作用被放大了211RR+倍。令 UB=0，Rf=1 G，U+=5 V，计算得出该电路对偏置电流 IB的调节范围为 5 nA，可以满足设计需求。进一步分析带直流伺服电路的接收电路，U+作为反馈量的同时也是同向输入端的输入信号，增益为211RR+，也就是积分环节的积分常数被放大211RR+倍，电路响应更快，电路直流工作点的稳定时间较短。OPA140 运 放 的 输 入 端 共 模 输 入 范 围为-5 1.5 V（5 V 供电条件下），对应的 IB调节范围为-5 1.5 nA，实际使用仍无法满足要求，因此对电路进一步优化。优化后的带直流伺服电路的接收电路如图 5 所示。+5V-5VUHCHIBRfR1R2CfR3R4C3C4+5V-5VCH=1.1nFCf=22pFRf=1GR1=100R2=900R3=R4=18MC3=C4=2.2FM图 5 优化后的带直流伺服电路的接收电路将积分控制环节的反馈节点由运放正输入端移至 T 型网络分流电阻 R1的一端，反馈量通过控制 R1一端的电压值来控制 R1上分支电流的大小，从而控制 T 型网络的直流通路等效电阻，进而控制偏置电压。输出偏置电压与 M 点控制电压的关系为22BfBM111RRUR IURR=+|（4）令 UB=0，Rf=1 G，UM=5 V，计算得到该电路对偏置电流 IB的调节范围为 4.5 nA，可以满足设计需求，积分常数被放大211RR+倍。结合以上分析，带直流伺服电路的接收电路均可以应用于实际水声信号接收电路，电路对偏置电流的调节范围取决于 Rf和211RR+值，适当降低 Rf或增大211RR+均可以扩大控制范围。由于减小 Rf将增大电路的低频噪声，增大211RR+将增大电路的 Q 值，导致电路反馈深度增大，易产生自激，仍需根据实际需求合理设计电阻参数。2 结 语通过研究电荷放大型水声信号接收电路在使用过程中存在输出信号有直流偏置的问题，借鉴PID 控制的思想引入反馈环节，从而有效消除输出直流偏置。与传统的前置接收电路相比，文章所提出的带直流伺服的接收电路能够实时调节输入信号和输出信号，同时可以提高接收电路的稳定性和准确性，改善电路的动态特性，应用前景广阔。参考文献：1钱承，李诺.一种用于辐射测量的电荷放大器设计 J.中国测试，2023，49（2）：139-143.2李桂磊，徐中，贺长波.一种小型电荷放大电路设计 J.机电工程技术，2015，44（10）：5-9.3李黎，朱嘉林.小体积高性能电荷放大器的研制 J.电子元件与材料，2014，33（4）：52-55.4王强.低噪声压电电荷放大器的设计与实验研究 J.电子技术与软件工程，2014（15）：128.5魏冬，张志杰，裴东兴.电荷放大器可靠性分析 J.中国测试技术，2007（1）：86-87.6朱培斌，许肖梅，黄身钦，等.电荷放大器对压电式水声换能器测量的影响分析 J.声学与电子工程，2018（1）：42-44.7孙聪.电荷放大器零点漂移影响因素及补偿技术研究 D.大连：大连理工大学，2019.8姬云鹏，梁国鼎，杨丽，等.电荷放大器输入等效电荷噪声测量结果的不确定度分析 J.轻工标准与质量，2017（6）：57-58.9范守义.电荷放大器的漂移问题J.仪器仪表与分析监测，1989（3）：31-37.10 侯振德，高瑞亭.消除电荷放大器零点漂移的方法 J.压电与声光，1991（4）：30-32.编辑：郭芳园