一种多通道声纳湿端数据采集调理电路的制作方法

本实用新型涉及数据采集领域，尤其涉及一种多通道声纳湿端数据采集调理电路。

背景技术：

声纳技术是利用水下声波判断海洋中物体的位置,类型以及其他参量的方法和技术，是完成水下信息获取的有效途径。数据采集是指从传感器中自动采集非电参量，通过信号处理后送到上位机中进行分析，主要是对数据的采集、处理以及控制。传统数据采集系统存在功能单一、采集通道少、采样速率低、实时性差、可移植性差、功耗高、体积大并且对测试环境要求较高等问题。现代工业生产中，越来越多的传感器信号需要被同时实时采集、处理，对数据采集模块的主要技术指标，如采样速率、采样精度、采样通道数、控制方式以及抗干扰能力等方面的要求也越来越高。因此现需一种通频带可重构、采样率可调、增益可调以及小体积高集成度的多通道声纳湿端数据采集调理电路。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提出了一种通频带可重构、采样率可调、增益可调以及小体积高集成度的多通道声纳湿端数据采集调理电路。

本实用新型的技术方案是这样实现的：本实用新型提供了一种多通道声纳湿端数据采集调理电路，其包括水听器、AD转换电路和微处理器，还包括DDS信号发生器、模拟开关电路、可重构滤波器电路和可变增益电路；

模拟开关电路分别与水听器、DDS信号发生器、微处理器和可重构滤波器电路电性连接，DDS信号发生器与微处理器电性连接，可重构滤波器电路分别与微处理器和可变增益电路电性连接，可变增益电路分别与微处理器和AD转换电路电性连接，AD转换电路与微处理器电性连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括二极管保护电路和固定增益电路；

水听器通过二极管保护电路与固定增益电路电性连接，固定增益电路与模拟开关电路电性连接。

进一步优选的，还包括电压抬升电路；

电压抬升电路分别与模拟开关电路和可重构滤波器电路电性连接。

进一步优选的，还包括差分电路和驱动放大电路；

差分电路分别与可重构滤波器电路和可变增益电路电性连接，驱动放大电路分别与可变增益电路和AD转换电路电性连接。

进一步优选的，微处理器为STM32F103ZET6芯片，DDS信号发生器包括AD9837芯片，模拟开关电路包括ADG453芯片；

AD9837芯片MCLK、SDATA、SCLK和FSYNC引脚分别与STM32F103ZET6芯片的PA0、PA7、PA5和PA4引脚一一对应电性连接，AD9837芯片的VOUT引脚分别与ADG453芯片的S2和S3引脚电性连接，ADG453芯片的IN1、IN2、IN3和IN4引脚分别与STM32F103ZET6芯片的PE0、PE1、PE2和PE3引脚一一对应电性连接。

更进一步优选的，可重构滤波器电路包括第一MAX7491芯片和第二MAX7491芯片；

第一MAX7491芯片的CLK引脚与STM32F103ZET6芯片的PA1引脚电性连接，第一MAX7491芯片的NB引脚与第二MAX7491芯片的INVA引脚一一对应电性连接，第二MAX7491芯片的CLK引脚与STM32F103ZET6芯片的PA3引脚电性连接。

更进一步优选的，可变增益电路选用MAX9939芯片，固定增益电路包括AD8221芯片；

MAX9939芯片的DIN、SCLK和^CS引脚分别与STM32F103ZET6芯片的CLK、MOSI和CS引脚一一对应电性连接；

AD8221芯片VOUT引脚与ADG453芯片的S4引脚电性连接，AD8221芯片的-IN和+IN引脚与二极管保护电路电性连接。

更进一步优选的，AD转换电路包括AD7768芯片；

AD7768芯片的AD_RESET、AD_DCLK、MISO、MOSI、CLK和MCLK引脚分别与STM32F103ZET6芯片的PE4、PB4、PB5、PB3和PA2引脚一一对应电性连接。

更进一步优选的，驱动放大芯片包括ADA4896芯片；

ADA4896芯片的+IN1和+IN2引脚分别与MAX9939芯片的OUTA和OUTB引脚一一对应电性连接，ADA4896芯片的OUT1和-IN1引脚均和AD7768芯片的AIN0-引脚电性连接，ADA4896芯片的OUT2和-IN2引脚均和AD7768芯片的AIN0+引脚电性连接。

更进一步优选的，电压抬升电路包括OP2177芯片；

ADG453芯片的D1引脚与OP2177芯片的+IN1引脚电性连接，第一MAX7491芯片的LPA引脚与OP2177芯片的OUTA引脚电性连接，OP2177芯片的-IN1引脚与OUTA引脚电性连接，OP2177芯片的-IN2引脚分别与MAX7491芯片的LPB引脚和OUTB引脚电性连接，OP2177芯片的OUTB引脚与MAX9939芯片的INA-引脚电性连接。

本实用新型的一种多通道声纳湿端数据采集调理电路相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)通过配置模拟开关电路和DDS信号发生器，可将DDS信号发生器产生的的可调频正弦波作为自检信号由模拟开关电路选择输出，自检信号同水听器采集到的声学信号通过同样的采集调理电路，即可用于故障定位、幅相一致性测试；

(2)通过配置可重构滤波器电路，可实现通频带重构，滤除干扰信号；

(3)通过设置可变增益电路，使输入ADC的信号幅值更加接近ADC满量程；

(4)整个电路可实现通频带可重构、增益可调且能产生用于故障定位、幅相一致性检测的自检信号，实现自检功能，同时，通过芯片的选型和PCB的布局规划可实现电路通道动态范围大，总谐波失真低，各通道输出信号幅度及延时基本保持一致，相位基本无偏差。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的一种多通道声纳湿端数据采集调理电路结构图；

图2为本实用新型的一种多通道声纳湿端数据采集调理电路各电路芯片的引脚连接图；

图3为本实用新型的一种多通道声纳湿端数据采集调理电路中二极管保护电路和固定增益电路的电路图；

图4为本实用新型的一种多通道声纳湿端数据采集调理电路中模拟开关电路和电压抬升电路的电路图；

图5为本实用新型的一种多通道声纳湿端数据采集调理电路的DDS信号发生器中AD9837的电路图；

图6为本实用新型的一种多通道声纳湿端数据采集调理电路中可重构滤波电路中第一MAX7491芯片的外围电路图；

图7为本实用新型的一种多通道声纳湿端数据采集调理电路中可重构滤波电路中第二MAX7491芯片的外围电路图；

图8为本实用新型的一种多通道声纳湿端数据采集调理电路中差分电路的电路图；

图9为本实用新型的一种多通道声纳湿端数据采集调理电路的可变增益电路中MAX9939芯片的外围电路图；

图10为本实用新型的一种多通道声纳湿端数据采集调理电路中驱动放大电路图；

图11为本实用新型的一种多通道声纳湿端数据采集调理电路的AD转换电路中AD7768芯片的外围电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型的一种多通道声纳湿端数据采集调理电路，包括水听器，单个水听器包括三个加速度通道和一个声压通道，共4个通道，每个通道内的电路结构相同，每路通道均包括顺次电性连接的二极管保护电路、固定增益电路、模拟开关电路、电压抬升电路、可重构滤波器电路、差分电路、可变增益电路、驱动放大电路、AD转换电路和微处理器，还包括分别与微处理器和模拟开关电性连接的DDS信号发生器，其中可重构滤波器电路、可变增益电路以及AD转换电路分别与微处理器电性连接。

在本实施例中，微处理器是STM32F103ZET6芯片。

DDS信号发生器，包括直接数字频率合成技术，把信号发生器的频率稳定度、准确度提高到与基准频率相同的水平，并且可以在很宽的频率范围内进行精细的频率调节。包括这种方法设置的信号发生器可工作于调制状态，可对输出电平进行调节，也可输出各种波形。本实施例中，DDS信号发生器包括AD9837芯片，AD9837为一款低功耗可编程波形发生器，能产生三种波形，输出频率相位可调，并具有休眠模式，可降低采集板的整体功耗。本实施例中，由微处理器控制DDS信号发生器发出频率可调的正弦波信号，由模拟开关进行选择，将DDS信号发生器产生的正弦波信号为自检信号，自检信号同采集到的声学信号通过同样的采集调理电路，即可用于故障定位、幅相一致性等测试。其中，如图2所示，AD9837芯片MCLK、SDATA、SCLK和FSYNC引脚分别与STM32F103ZET6芯片的PA0、PA7、PA5和PA4引脚一一对应电性连接。具体的，AD9837芯片的MCLK连接到STM32F103ZET6芯片定时器5的通道1，即PA0引脚；SDATA连接到STM32F103ZET6芯片SPI1的MOSI，即PA7引脚；SCLK连接到STM32F103ZET6芯片SPI1的CLK，即PA5引脚；SDATA连接到STM32F103ZET6芯片SPI1的CS，即PA4引脚。AD9837芯片一直工作在从模式下，所以不需要连接MISO接引脚，需要连接的为SDATA、SCLK和FSYNC三个接引脚。SDATA为串行数据输入；SCLK为串行时钟输入，数据在SCLK的各下降沿逐个输入AD9837芯片，低电平有效控制输入；FSYNC是输入数据的帧同步信号，MCLK为数字时钟输入，AD9837芯片输出频率精度和相位噪声均由此时钟决定，如图5所示，AD9837芯片的外围电路与AD9837芯片手册上的外围电路一致，在此不再累赘。

模拟开关电路，包括ADG453芯片，ADG453是一款单芯片CMOS器件，内置四个独立可选的开关，包括增强型LC2MOS工艺设置，具有低功耗、高开关速度和低导通电阻特性。由于在本实施例中，单个水听器包括三个加速度通道和一个声压通道，共4个通道，本实施例中前级输出为单端信号，所以设置为两个通道单端信号和两路自检信号共用一片ADG453进行二选一控制，ADG453芯片作为水声信号和自检信号输出下一级切换的控制端。其中，如图2所示，AD9837芯片的VOUT引脚分别与ADG453芯片的S2和S3引脚电性连接，ADG453芯片的IN1、IN2、IN3和IN4引脚分别与STM32F103ZET6芯片的PE0、PE1、PE2和PE3引脚一一对应电性连接。具体的，如图4所示，ADG453芯片为四路选择开关，IN1、IN2、IN3和IN4为四个逻辑控制输入，分别与STM32F103ZET6芯片通用IO口PE0、PE1、PE2、PE3引脚一一对应电性连接，D1、D2、D3和D4是四路信号输出。当逻辑控制输入为1时，D1和D4通道开启，D2和D3通道关闭；当逻辑控制输入为0时，D2和D3通道开启，D1和D4通道关闭。因此将S1和S4组合为一个差分输入，S2和S3组合成一个输入，四个逻辑控制输入接一个控制信号。因此设置为S1和S4的输入为前级水声信号，S2和S3输入AD9837芯片产生测试信号，ADG453芯片的外围电路如图4所示，图4中右边电路为电压抬升电路中的两个运算放大器，本实施例中采用右上角的运算放大器进行电压抬升。

二极管保护电路，对后级系统进行过压保护，保证输入到后级系统信号的峰峰值不大于5V。水听器的输出有时候会因为受到干扰而超出后级系统可以承受的电压范围，且超出的电压一般是以瞬时电压尖峰脉冲的形式体现，有可能损坏后级系统电路器件导致系统瘫痪，故在输入级包括开关二极管。在本实施例中，二极管保护电路包括钳位二极管。

固定增益电路，包括双电源运算放大器AD8221，固定增益配置为20dB。AD8221是一款增益可编程、高性能仪表放大器，其相对于频率的共模抑制比最高。AD8221可以抑制宽带干扰和线路谐波，从而简化对滤波器的要求，可以应用于精密数据采集、生物医学分析和航空航天仪器。AD8221电压失调低、失调漂移低、增益漂移低、增益精度高。其中，如图2所示，AD8221芯片VOUT引脚与ADG453芯片的S4引脚电性连接，AD8221芯片的-IN和+IN引脚与二极管保护电路电性连接，AD8221芯片的外围电路如图3所示，图3中的两个二极管为二极管保护电路。

电压抬升电路，由于ADG453为双电源供电参考地为0V，并且后级可重构带通滤波电路中的MAX7491芯片为3V单电源供电，其参考地为3/2V即1.5V。若MAX7491芯片要正常工作必须将前级的参考地抬升至1.5V。在本实施例中，利用OP2177芯片设置一个1.5V电压抬升电路，OP2177芯片包括双通道运算放大器，因此，设置4个通道使用两片OP2177芯片进行电压抬升，每两个通道使用一个OP2177芯片。具体的，如图2所示，ADG453芯片的D1引脚与OP2177芯片的+IN1引脚电性连接，第一MAX7491芯片的LPA引脚与OP2177芯片的OUTA引脚电性连接，OP2177芯片的-IN1引脚与OUTA引脚电性连接，OP2177芯片的-IN2引脚分别与MAX7491芯片的LPB引脚和OUTB引脚电性连接，OP2177芯片的OUTB引脚与MAX9939芯片的INA-引脚电性连接。图4中右边的两个运算放大器为OP2177芯片中双通道运算放大器，由图4可知，OP2177芯片的外围电路与芯片手册上的外围电路一致，在此不再累赘。

可重构滤波器电路，包括MAX7491芯片，MAX7491芯片为一款双路通用开关电容滤波器，根据输入的时钟频率的改变，而改变滤波器的截止频率。通过级联两个二阶滤波器部分来获得四阶滤波器，通过级联多个MAX7491可以创建高阶滤波器。MAX7491芯片内有两个开关电容滤波器，因此，在本实施例中，设置每个通道使用一块MAX7491芯片进行两级高通滤波处理，每两个通道合用一块MAX7491芯片分别进行一级低通滤波器处理，即四个通道采用6个MAX7491芯片。在本实施例中，每个通道采用两片MAX7491芯片，将两片MAX7491芯片命名为第一MAX7491芯片和第二MAX7491芯片，其中，如图2所示，第一MAX7491芯片的CLK引脚与STM32F103ZET6芯片的PA1引脚电性连接，第一MAX7491芯片的NB引脚与第二MAX7491芯片的INVA引脚一一对应电性连接，第二MAX7491芯片的CLK引脚与STM32F103ZET6芯片的PA3引脚电性连接。具体的，如图6所示，第一MAX7491芯片的CLK连接到STM32F103ZET6芯片定时器5的通道二，即PA1引脚，第一MAX7491芯片进行两级高通滤波处理，其外围电路如图6所示；图7为一个通道使用的一个开关电路滤波器的外围电路图，第二MAX7491芯片的CLK连接到STM32F103ZET6芯片定时器5的通道三，即PA3引脚，第二MAX7491芯片进行一阶低通滤波处理，其外围电路如图7所示。MAX7491芯片的外围电路与MAX7491芯片的芯片手册上的外围电路一致，属于现有技术，在此不再累赘。

差分电路，将来自可重构滤波器电路的模拟信号转换为差分信号，将差分信号输出至可变增益电路。差分电路包括OP2177运算放大器中的一个运算放大器，如图8所示，LPF_Out与图7中的LPF_Out电性连接，电阻R67和R71的一端分别与MAX9939芯片的INA-和INA+一一对应电性连接，其外围电路与芯片手册上一致，在此不再累赘。

可变增益电路，包括MAX9939芯片。MAX9939芯片为通用、差分输入可编程增益放大器，可用于动态范围较大信号的调理，可通过SPI接口在0.2V/V至157V/V范围内设置差分增益、输入失调电压补偿以及输出放大器，可配置为高阶有源滤波器或提供一路差分输出，其功耗和自噪声都较小，其放大倍数受控于增益控制电路。在本实施例中，如图2所示，MAX9939芯片的DIN、SCLK和^CS引脚分别与STM32F103ZET6芯片的CLK、MOSI和CS引脚一一对应电性连接。具体的，MAX9939芯片为3线SPI接口，STM32F103ZET6芯片只需要与MAX9939芯片用三根跳线连接即可。MAX9939芯片一直工作在从模式下，所以不需要连接MISO接口，需要连接的为DIN、SCLK和^CS三个接口。SCLK连接到STM32F103ZET6芯片中SPI2的CLK，即PB13口；DIN连接到STM32SPI2的MOSI，即PB15口；CS连接到STM32SPI2的CS，即PB12口。DIN为串行数据输入，8位串行数据字施加于此输入；SCLK为串行时钟输入，数据在SCLK的各上升沿逐个输入MAX9939芯片，低电平有效控制输入，SCLK空闲状态为低电平；^CS是输入数据的帧同步信号。如图9所示，MAX9939芯片的外围电路与MAX9939芯片的芯片手册上的外围电路一致，属于现有技术，在此不再累赘。

驱动放大电路，将可变增益电路输出的差分信号放大，再输出至AD转换电路进行模数转换。在本实施例中，驱动放大电路包括：ADA4896芯片。其中，ADA4896芯片的+IN1和+IN2引脚分别与MAX9939芯片的OUTA和OUTB引脚一一对应电性连接，ADA4896芯片的OUT1和-IN1引脚均和AD7768芯片的AIN0-引脚电性连接，ADA4896芯片的OUT2和-IN2引脚均和AD7768芯片的AIN0+引脚电性连接。如图10所示，ADA4896芯片的外围电路与芯片手册上的外围电路一致，属于现有技术，在此不再累赘。

AD转换电路，将驱动放大电路放大后的信号进行模数转换，并将转换后的信号输出至微处理器处理。AD转换电路包括：AD7768芯片。AD7768为4通道24位工业级模数转换ADC，最大输出数据速率为256kSPS、低谐波失真、低失调电压、低增益误差，内部集成有多个独立的高阶斩波稳定调制器和FIR数字滤波器，可实现4通道同步采样，具有优良的AC和DC特性，三种功耗模式可调，具有精密的交流直流性能，并且可以通过SPI串口进行控制。在本实施例中，如图11所示，AD7768芯片的AD_RESET、AD_DCLK、MISO、MOSI、CLK和MCLK引脚分别与STM32F103ZET6芯片的PE4、PB4、PB5、PB3和PA2引脚一一对应电性连接。AD7768芯片的外围电路与AD7768芯片手册上的外围电路一致，属于现有技术，在此不再累赘。

本实用新型的工作原理是：水听器将液体中通频带范围内的声学信号转换成模拟差分电信号传递到采集调理电路中，经二极管保护电路将输入的电信号钳制在电路可承受范围内，固定增益电路将接收到的模拟电信号进行20dB的固定放大后以单端信号的形式传输给后级电路；模拟开关电路进行信号选择输出后将输出信号的直流偏置电压的偏置抬升到1.5V；前级信号被钳制到1.5V的直流处进入可重构滤波器电路进行滤波去噪处理，可重构滤波器电路由两级高通滤波器和一级低通滤波器级联构成，高通与低通滤波器的截止频率皆可由微处理器控制；滤波后的单端信号经差分电路转换成差分信号输出至可变增益电路，可变增益电路为本实用新型的第二阶放大模块，其放大倍数由微处理器控制；放大后的差分信号通过驱动放大电路输出至AD转换电路进行模数转换，将模拟信号转换为数字信号后，将数字信号发送给后级微处理器进行处理打包传送，即可在干端收集到湿端实时采集到的水声信号了。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。