马淑欣,杨潞霞,韩丙辰,薛利梅

(1.太原师范学院计算机科学与技术学院, 山西 晋中 030619; 2.太原师范学院物理系, 山西 晋中 030619)

0 引言

对海洋资源进行开发和利用时,需要获取水下信息.由于水下环境的特殊性,无线电波、电磁波传递能量的形式在水中会有较大的衰减,而水声是人类迄今为止所知道的唯一能在海洋里远距离传输的能量形式[1],只有通过水声信号的传输才能更好地获取水下信息.因此,对水声信号的研究具有重大意义.通过水听器将采集的水声信号转化为电信号,而输出电信号的电压幅度往往在毫伏级以下,非常微弱,同时信号容易受到高频噪声和海洋环境中低频噪声的干扰.因此,需要对其进行调理.一般模拟信号的调理过程包括:阻抗匹配、固定增益放大、滤波、单端信号转差分信号以便远距离传输等[2].本文中主要介绍信号调理过程中的滤波部分.

对微弱的水声信号进行调理时,工程上一般都会设计带通滤波器滤除高低频噪声的干扰,而带通滤波器的设计会根据具体的性能指标来确定.陈亚辉[3]设计了由多级级联相互影响较小的Multiple-Feedback(MFB)型二阶高通滤波器和二阶低通滤波器串联形成的带通滤波器,运放选用的是MAX公司的MAX4477芯片,实现了在低频10 Hz处,衰减为-3.12 dB,在高频5 kHz处,衰减为-3.22 dB.张浩[4]设计的巴特沃斯型带通滤波器是由四阶高通滤波器和四阶低通滤波器串联形成,运放采用了TI公司的OPA2140芯片,仿真结果实现了在通频带3～5 kHz内的起伏不大于1 dB.王亮等[5]设计的带通滤波器选用通频带较平坦、阻容元件较少的Sallen-Key(SK)型巴特沃斯滤波器,由四阶高通滤波器和四阶低通滤波器串联而成,在上、下限截止频率处的衰减分别为-3.02 dB、-2.99 dB.

有源滤波器的阶数越高,滤波效果更接近理想砖墙式滤波器.本文中设计一种由六阶SK型高通滤波器与四阶MFB型低通滤波器级联形成的高阶有源巴特沃斯带通滤波器,其设计指标为:工作通频带为10 Hz～35 kHz,带内平坦度小于0.5 dB,截止频率处的衰减小于0.5 dB.

1 滤波器的选择

滤波器是一种具有选频作用的装置,它可以使特定频率范围内的信号通过,而衰减或滤除频率范围外的信号[6].由于处理的信号是水声模拟信号,故本研究设计为模拟滤波器.根据电路采用元件的不同,将模拟滤波器分为有源滤波器和无源滤波器.无源滤波器是由电阻、电容、电感等无源器件组成的,它的特点是无需外部供电即可工作.有源滤波器至少包含一个有源器件,如运放、晶体管等,且必须电源供电才能正常工作.有源滤波器和无源滤波器的比较分析如表1所示.

表1 有源滤波器和无源滤波器的比较

根据通频带的不同,可将滤波器分为高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器和全通滤波器[7-9].其中,带通滤波器又分为窄带通和宽带通两种.窄带通滤波器只允许中心频率附近很窄范围内的信号通过,具有单频点.而宽带通滤波器通常由高通滤波器和低通滤波器级联组成,可以通过频率范围很宽的信号,具有下限截止频率fL和上限截止频率fH两个频点.

根据响应类型,可将滤波器分为巴特沃斯型滤波器、切比雪夫型滤波器、贝塞尔型滤波器.工程上,通常会使用巴特沃斯型滤波器,该滤波器最为明显的特征是特征频率fo恰好是截止频率fc,当输入信号频率为fo时,其增益的模为0.707.与其他两类滤波器相比,巴特沃斯型滤波器具有最平坦的通带区间,且设计简便,在工程设计中使用非常广泛.

2 传递函数

由于带通滤波电路的低频指标为10 Hz,故选用在低频较稳定的SK型有源高通滤波器,其电路结构简单,减少了电子元件本身的噪声影响.典型的4元件SK型高通滤波电路如图1所示.

图1 二阶SK型高通滤波电路结构图

根据基尔霍夫定律,对节点1、2列节点方程如下:

(1)

(2)

将式(1)、(2)化简可得到电路的传递函数为:

(3)

由于带通滤波电路的高频指标为35 kHz,故选用在高频衰减较小的MFB型有源低通滤波器.MFB型与SK型的结构完全不同,属于反相输入滤波器,可以实现增益和Q值独立调节,且多级相联间的相互影响较小.典型的MFB型低通滤波电路如图2所示.

图2 二阶MFB型低通滤波电路结构图

同样地,根据基尔霍夫定律,对节点1、2列节点方程如下:

(4)

(5)

将式(4)、(5)化简可得到电路的传递函数为:

(6)

3 电路设计

本文中设计的高阶有源巴特沃斯带通滤波电路是由六阶有源高通滤波电路与四阶有源低通滤波电路串联而成,具有两个独立频点,其主要功能是对放大后的微弱水声信号进行选频滤波.带通滤波器组成框图如图3所示.

图3 带通滤波器组成框图

3.1 六阶有源SK高通滤波器设计本文中设计的六阶有源Sallen-Key高通滤波器是由3个4元件二阶SK型高通滤波器串联形成.典型的4元件SK型高通滤波电路含有2个电容、2个电阻和1个运算放大器.其中运算放大器芯片选用的是ADI公司的OP2177,该芯片具有高精度、低噪声、低输入偏置电流等特性.

滤波器的两个设计目标为特征频率fo和品质因数Q,由于选用的是巴特沃斯滤波器,故fo=fc,下文中均用fc表示.二阶SK型高通滤波器的截止频率fc为:

(7)

且品质因数Q为:

(8)

在已知fc和Q的情况下,需要确定C1、C2、R1、R24个未知量的值.选择相同的电容值,这样可将灵敏度降至最低.令C1=C2=C,得:

本文中选用的巴特沃斯型滤波器,通过查看高阶滤波器系数表可知三级二阶高通滤波器的Q值分别为1.932、0.707、0.518.取C1=C2=1.8 μF,经计算,可得到电路各级的电阻值,但考虑到有些电阻的实际生产情况,要对某些参数值进行微调,同时也要保证满足电路的性能指标.最终确定的各级电路的参数值见表2.

表2 高通滤波电路参数值

设计的六阶有源SK高通滤波器电路如图4所示,在Multisim中仿真的频率响应如图5所示.

图4 六阶高通滤波电路图

图5 高通滤波器频率响应仿真波特图

3.2 四阶有源MFB低通滤波器设计本文中设计的四阶有源Multiple-Feedback低通滤波器是由2个二阶MFB型低通滤波器串联形成.二阶MFB型低通滤波电路含有3个电阻、2个电容和1个运算放大器,运放芯片同样选用OP2177.电阻、电容相互连接后接到运放的反相输入端,而运放同相输入端接地,输出端串联下一级二阶MFB型低通滤波电路.

二阶MFB型低通滤波器的截止频率fc为:

(9)

且品质因数Q为:

(10)

对于MFB型滤波器,需要确定C1、C2、R1、R2、R35个未知量的值.通常,工程上会选择阻值相等的电阻,取R1=R2=R3=10 kΩ.而电容的值需满足以下关系式:

C2≥4(1-Am)Q2C1

(11)

通过查表确定了四阶低通滤波器的Q值分别为0.541、1.307.滤波器的详细参数值见表3.

表3 低通滤波电路参数值

设计的四阶有源MFB低通滤波器电路和仿真后的频率响应分别如图6和7所示.

图6 四阶低通滤波电路图

图7 低通滤波器频率响应仿真波特图

3.3 高阶有源带通滤波器设计在实现高通滤波器及低通滤波器功能的基础上,将两者级联便可实现高阶有源带通滤波器的功能.在仿真软件Multisim中对其进行验证.设计的带通滤波电路和仿真结果分别如图8至图10所示.从带通滤波电路图可以看出,在滤波器的输出端设计了采用运算放大器形式的单端转差分结构.该结构不仅平衡了电路结构,而且方便测试.从图9和图10的仿真结果可看出,在下限截止频率10 Hz处,衰减为0.357 dB,在上限截止频率35 kHz处,衰减为0.346 dB,均满足性能指标.

图8 高阶带通滤波电路结构图

图9 下限截止频率的衰减仿真图

图10 上限截止频率的衰减仿真图

4 性能测试

为了验证设计的滤波器能否正常处理微弱的水声信号,对其PCB板进行测试.具体的测试条件如下:

电源:±5 V供电.

信号发生器:输入1 Vrms正弦波信号.

示波器:探头一端接输出,另一端接地,验证电路是否正常工作.

交流毫伏表:红表笔接输出,黑表笔接地,测输出电压幅值.

电路的测试结果见表4.

表4 电路测试结果

在不改变输入信号幅值,只改变信号频率的测试条件下,得出表4中的数据.由以上数据可知:输出信号在10 Hz处的衰减为-0.49 dB,在35 kHz处的衰减为-0.4 dB,带内波动小于0.5 dB,符合设计指标.

5 结论

针对采集的微弱水声信号受高低频噪声干扰的问题,本文中设计了一种由六阶有源SK型高通滤波器与四阶有源MFB型低通滤波器级联形成的高阶有源巴特沃斯带通滤波器.经过仿真分析和实际测试,设计的带通滤波器实现了指标要求,可用于水听器的信号调理电路.