专利名称：自适应放大电路及基于该电路的探鱼仪的制作方法
技术领域：
本发明属于消费类应用电子领域，涉及一种自适应放大电路及基于该自适应放大电路的探鱼仪。
背景技术：
在电子技术领域中，基于半导体放大器的放大电路应用十分普遍。通常，在针对不同的工程问题时会使用不同的放大电路。在众多的需要信号放大的工程问题中，有一类是信号是随时间变化的，而这种变化通常是不希望存在的，采用简单的线性放大器处理此类问题将会对产生的结果产生影响。比如说目前应用与消费类电子领域的超声波探鱼仪，其工作原理是设备向着被探测的区域发射超声波，当超声波遇到鱼群时将会发射回来。为了能够辨别鱼群的大小以及是否为其它障碍物反射了超声波，还需要对回波信号进行如下处理:首先将回波信号转化为电信号，再通过放大电路将电信号放大，然后通过控制单元对放大后的信号进行分析，得出鱼群的大小、方位及距离等参数。其中鱼群的大小是探测的重要目标信息之一，可以通过回波信号的强度来体现，具体为鱼群越大回波信号越强，反之回波信号越弱。但是，超声波在传播的过程中会自然衰减，随着传播距离越远，衰减会越厉害。不难理解，鱼群的远近也会影响到回波信号的强弱。图3中曲线LI所示为探鱼仪接收超声回波的时间与接收到的回波转换成电信号的强度之间的关系，由于所述电信号的强度与超声回波的强度 对应以及接收超声回波的时间与超声波传输的距离一一对应，因此该曲线也可用于表示超声波传播距离与信号强度之间的关系。具体的说，假定障碍物的尺寸等其他条件一定的情况下，超声波传播距离越远，回波信号就越弱。如果采用常规的线性放大器对这种回波信号进行处理将无法根据信号的强度来判断鱼群的大小及远近关系。现有的探鱼仪产品为解决上述问题提出了多种方案。比如说基于超声波传播距离与传播时间有关系并且信号衰减度可测量的理论，有的产品采用了功能较强的处理器芯片，通过对测得的信号结合信号发射及接收的时刻信息进行处理，计算出回波信号在传播距离影响下的衰减值，并根据计算结果对回波信号进行补偿以消除回波信号中的传播距离信息。这种方案的缺点是对处理器的要求较高，而且采用软件计算处理的方式容易受电磁及温度等因素影响。以下提供另一种解决方案:该方案是一种带超声回波放大电路的探鱼器，其放大电路仅针对特定强度的超声回波信号进行放大，通过多次发收超声波实现对特定区域的探测，对于近处待测物体的识别度较差，也就是说单次测量的范围小。进一步分析可以看出，采用这种设备要探测同样的区域并期望得到同样的结果将需要更多的步骤和更长的时间，对于探鱼仪这种自带电源的设备而言，电池的容量将是一个挑战。并且这类设备多为集成电路，故成本较高。
发明内容
本发明对针对现有技术中类似超声波探鱼仪的回波信号的处理电路存在的设备成本高和/或应用范围小等问题，提出了一种自适应放大电路以及一种基于该电路的探鱼仪。本发明的技术方案是:一种自适应放大电路，包括放大单元，所述放大单元包括信号输入端，其特征在于还包括补偿单元，所述补偿单元包括输入端和输出端，所述补偿单元的输入端与电源连接，输出端用于向放大单元输入补偿信号，所述补偿信号在放大单元的输入端与输入信号相叠加，用于补偿输入信号的衰减部分。具体的，上述自适应放大电路的放大单元由晶体三极管实现,所述放大单元还包括偏置电路，所述偏置电路包括:集电极电阻，连接于晶体三极管集电极和电源之间；发射极电阻，连接于晶体三极管发射极与地之间；基极偏压电阻，包括第一电阻和第二电阻，第一电阻连接于补偿单元输出端和晶体三极管基极之间，第二电阻连接于晶体三极管基极和地之间。进一步的，上述补偿单元由RC串联积分电路实现，包括限流电阻和储能电容，其特征在于所述限流电阻一端与电源相连接，另一端与储能电容相连接，储能电容另一端接地，储能电容与限流电阻的公共端为补偿单元的输出端。更进一步的，上述补偿单元还包括启动单元,所述启动单元包括一启动单元限流电阻，所述启动单元限流电阻一端与启动电压连接，另一端与补偿单元的输出端相连接。上述补偿单元还包括启动信号,所述启动信号由启动电压提供，为一与电源电压同时开始的脉冲信号。一种使用上述自适应放大电路的探鱼仪，其特征在于包括信号放大电路，所述信号放大电路包括前级放大单元、中级放大单元和后极放大单元的三极放大单元和偏置单元，所述前级放大单元包括所述自适应放大电路，所述中级放大单元和后极放大单元由线性放大电路实现，所述偏置单元用于为各级放大单元提供偏置电压。具体的，上述中级放大单元和后极放大单元由晶体三极管共射极放大电路实现，各放大单元之间采用电容耦合的方式连接。本发明的有益效果在于:本发明通过在放大电路的输入端加入一 RC串联积分电路，并将电容充电过程中随时间变化的电压信号施加到放大单元的输入端，以改变放大单元的偏压的方式对输入信号衰减的部分进行补偿，实现了简单的硬件电路对随时间衰减的信号的补偿放大；并且在本发明中还提供了一种采用这种电路的探鱼仪，使本探鱼仪降低对信号处理的芯片的要求，为探鱼仪产品的成本控制提供可能，并且硬件形式实现信号补偿的功能使电路性能更加稳定。
图1为本发明的自适应放大电路的原理框图；图2为本发明的自适应放大电路的一实施例原理图；图3为本发明的自适应放大电路的信号补偿原理图；图4为本发明的自适应放大电路的启动信号图示；图5为本发明的探鱼仪的放大电路原理框图；图6为本发明的探鱼仪的放大电路的一实施例原理图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详述。如图1所示，本实施例的一种自适应放大电路包括放大单元和补偿单元，其中放大单元包括信号输入端，补偿单元包括输入端和输出端，补偿单元的输入端与电源连接，输出端用于向放大单元输入补偿信号，并且补偿信号在放大单元的输入端与输入信号相叠力口，用于补偿输入信号的衰减部分。这里所指的补偿信号与输入信号相叠加的叠加方式并不局限于某种方式，比如说可以是直接叠加，也可以是通过各种耦合方式进行叠加。如图2所示，作为上一实施例的另一具体形式，在本实施例中，自适应放大电路的放大单元由晶体三极管Tl实现，该放大单元还包括偏置电路，所述偏置电路包括:集电极电阻R5，连接于晶体三极管Tl集电极和电源IOl之间；发射极电阻R7，连接于晶体三极管Tl发射极与地之间；基极偏压电阻，包括第一电阻R3和第二电阻R6，第一电阻R3连接于补偿单元输出端和晶体三极管Tl基极之间，第二电阻R6连接于晶体三极管Tl基极和地之间。其中，电路的信号放大部分为基本三极管共射放大电路。在以上两个实施例中分别对整个电路及电路中的放大单元提出了具体的实施形式，本实施例将以上述的任一实施例为基础，进一步对补偿单元提出一种具体实现方式，本实施例中的补偿单元由RC串联积分电路实现，包括限流电阻Rl和储能电容Cl，限流电阻Rl的一端与电源IOl相连接，另一端与储能电容Cl相连接，储能电容Cl另一端接地，储能电容Cl与限流电阻Rl的公共端为补偿单元的输出端。在本实施例中，电源IOl为直流供电电源，用于启动电路并为电路提供电源，不难看出，在本实施例的积分电路的输出端输出的电压是随时间逐渐变高的，其变化曲线可由图3中的L2曲线的tl时刻开始的部分表示，只要合理设置限流电阻Rl及储能电容Cl的值，就能使输入信号随时间衰减的部分得到有效补偿。进一步的，本实施例保持上述的补偿单元的具体实现方式的电路结构不变，仅在补偿单元上增加启动单元，该启动单元包括一启动单元限流电阻R2,所述启动单元限流电阻R2 —端与启动电压102相连接，另一端与补偿单元的输出端相连接。该补偿单元还包括启动信号，如图4所示，所述启动信号由启动电压102提供，为一与电源电压同时开始的脉冲信号，也就是在电源电压IOl开始为高电平时102为高电平，并在随后102变为高阻状态，IOl仍保持高电平状态以维持电路工作。通过采用本实施例的方案能够实现对本发明所指的待放大的信号进行有效补偿，以下结合图3对本实施例的具体原理做进一步说明，图中:曲线LI表示本发明所指的待放大的信号，该信号随时间衰减；曲线L2表示本实施例的补偿电路作用于放大电路的输入端的信号，该曲线在时刻tl出斜率突变，其中o-tl时间段为IOl和102同时作用下变化曲线，自tl开始往后为102为高阻状态下的变化曲线；曲线L3为曲线LI和曲线L2的合成曲线，即对输入信号补偿后的曲线；图中tl-tn时间段是在考虑放大单元本身存在饱和区和截止区的情况下划定的线性放大区，本实施例中增加启动单元的目的就在于使电路能在更短的时间内进入线性放大区。以下是为了进一步增加电路的稳定性提出的改进方案，其中电路主体保持不变，放大单元包括射极旁路电容，连接于晶体三极管的发射极和地之间，用于提高电路交流放大倍数；补偿单元包括滤波电容，所述滤波电容与储能电容并联，用于滤除信号杂波；放大单元的偏置电路包括滤波电路，所述滤波电路包括滤波电容和滤波电阻，所述滤波电阻连接于电源和集电极电阻之间，所述滤波电容连接于滤波电阻和集电极电阻的公共端与地之间。如图5所示，本实施例的一种使用上述自适应放大电路的探鱼仪，包括信号放大电路，所述信号放大电路包括前级放大单元、中级放大单元和后极放大单元的三极放大单元和偏置单元，前级放大单元包括自适应放大电路，中级放大单元和后极放大单元由线性放大电路实现，偏置单元用于为放大单元提供偏置电压。如图6所示，在一种探鱼仪的另一具体形式中，中级放大单元和后极放大单元由晶体三极管共射极放大电路实现，各放大单元之间采用电容耦合的方式连接。本实施例三级放大电路采用电容耦合的方式，其前后级之间不存在因耦合所导致的静态工作点偏移，对于系统的稳定性有帮助，且此电路架构更适宜由分立器件实现，相比较选用专用芯片，更有利于降低电路成本。采用偏置电压积分累加的方式实现了对待测物体距离的分辨，软件实现更简单，算法更高效，降低了软件开发的难度及对于系统其余模块性能的要求。所述的三级共射放大电路单元均通过电容进行耦合，确保前后之间的静态工作点独立，排除前后级之间的干扰。偏置单元对于三级放大电路中集电极和基极进行偏置，其中对于前级放大电路基极的偏置，通过一个RC积分电路组成，该电压随时间而线性增加，其升压时间长度与待测超声回波时间长度相等。下面对本发明的实施例的方案的具体工作过程做进一步详述，在超声回波被采集时刻起，偏置单元对RC积分电路的储能电容Cl进行充电，随后102进入高阻态，IOl持续对该电容进行充电，因此，前级放大电路的基极偏置电压呈正斜率增加，该信号在与超声回波信号叠加后，进入三级放大电路。超声回波信号强度与被测物体远近相关，越近则越强，越远则越弱。其中前级放大电路的输出电压信号的特征为:在最开始阶段，超声回波信号较强，前级放大电路工作在饱和区，所需的基极偏置电压较低，伴随时间的增加，超声回波信号减弱，放大电路需要更高的基极偏置电压，才能工作在放大区，进而将输入信号放大输出。三级放大电路的输出信号，在经过积分电路积分后，经单片机AD端口采集并进行模数转换，即可计算出被测物体的距离及尺寸，比如说鱼群的大小。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种自适应放大电路，包括放大单元，所述放大单元包括信号输入端，其特征在于还包括补偿单元，所述补偿单元包括输入端和输出端，所述补偿单元的输入端与外部的电源连接，输出端用于向放大单元输入补偿信号，所述补偿信号在放大单元的输入端与输入信号相叠加，用于补偿输入信号的衰减部分。
2.根据权利要求1所述的一种自适应放大电路，所述放大单元包括晶体三极管和偏置电路，晶体三极管的基极作为信号输入端，其中，偏置电路包括: 集电极电阻，连接于晶体三极管集电极和电源之间； 发射极电阻，连接于晶体三极管发射极与地之间； 基极偏压电阻，包括第一电阻和第二电阻，第一电阻连接于补偿单元输出端和晶体三极管基极之间，第二电阻连接于晶体三极管基极和地之间。
3.根据权利要求2所述的一种自适应放大电路，上述放大单元的偏置电路还包括滤波电路，所述滤波电路包括滤波电容和滤波电阻，所述滤波电阻连接于电源和集电极电阻之间，所述滤波电容连接于滤波电阻和集电极电阻的公共端与地之间。
4.根据权利要求1所述的一种自适应放大电路，其特征在于，所述补偿单元由RC串联积分电路实现，包括限流电阻和储能电容，所述限流电阻一端与电源相连接，另一端与储能电容相连接，储能电容另一端接地，储能电容与限流电阻的公共端为补偿单元的输出端。
5.根据权利要求4所述的一种自适应放大电路，所述补偿单元还包括滤波电容，所述滤波电容与储能电容并联。
6.根据权利要求1或4所述的一种自适应放大电路，所述补偿单元还包括启动单元，所述启动单元包括一启动单元限流电阻，所述启动单元限流电阻一端与启动电压连接，另一端与补偿单元的输出端相连接。
7.根据权利要求6所述的一种自适应放大电路，所述补偿单元还包括启动信号，所述启动信号是由启动电压提供的与电源电压同时开始的一个脉冲信号。
8.根据权利要求2或4所述的一种自适应放大电路，所述放大单元包括射极旁路电容，所述射极旁路电容连接于晶体三极管的发射极和地之间。
9.一种基于自适应放大电路的探鱼仪，其特征在于包括信号放大电路，所述信号放大电路包括前级放大单元、中级放大单元和后极放大单元的三极放大单元和偏置单元，所述前级放大单元包括所述自适应放大电路，所述偏置单元用于为放大单元提供偏置电压。
10.根据权利要求9所述的一种基于自适应放大电路的探鱼仪，所述中级放大单元和后极放大单元由晶体三极管共射极放大电路实现，各放大单元之间采用电容耦合的方式连接。
全文摘要
本发明的自适应放大电路包括一个含有信号输入端的放大单元，并且还包括补偿单元，补偿信号在放大单元的输入端与输入信号相叠加，用于补偿输入信号的衰减部分。具体的，自适应放大电路的放大单元由晶体三极管实现，放大单元还包括偏置电路。这种通过在放大电路的输入端加入一RC串联积分电路，并将电容充电过程中随时间变化的电压信号施加到放大单元的输入端，以改变放大单元的偏压的方式对输入信号衰减的部分进行补偿，实现了简单的硬件电路对随时间衰减的信号的补偿放大；并且在本发明中还提供了一种采用这种电路的探鱼仪，使本探鱼仪降低对信号处理的芯片的要求，并且硬件形式实现信号补偿的功能使电路性能更加稳定。
文档编号H03F1/30GK103151988SQ201310039318
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月1日 优先权日2013年2月1日
发明者秦海宁, 蔡磊, 叶茂林 申请人:四川虹视显示技术有限公司