專利名稱：基于自動增益控制的水下超聲接收機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于自動增益控 制的水下超聲接收機(jī)。
背景技術(shù)：
隨著全球陸地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，以水下超聲為傳輸媒質(zhì)的水下傳感 器網(wǎng)絡(luò)逐漸得到了越來越多的重視和資金投入。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)(underwater acoustic sensor networks, UWASN)有著非常廣闊的應(yīng)用前景，被廣泛的應(yīng)用在多種水下工程和研 究領(lǐng)域。然而，現(xiàn)有的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)及其接收機(jī)存在著以下缺點(diǎn)(1)、水聲信道傳輸質(zhì)量差。多徑、衰減及多普勒頻移等問題使得水下通信的誤碼 率高、鏈路暫時性中斷現(xiàn)象時有發(fā)生。這是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)與陸地空中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 重要區(qū)別之一。(2)、電池能力有限。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常攜帶能量十分有限的電池。由于水 下傳感器節(jié)點(diǎn)分布水面區(qū)域廣，而且水下環(huán)境復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常不被回收，所以節(jié)點(diǎn)通過 更換電池以補(bǔ)充能源是不現(xiàn)實(shí)的。(3)、通信能力有限。水下聲通信主要受路徑損失，多徑、多途、噪聲、多普勒頻移、 傳播延時長和延時易變的影響。這些缺點(diǎn)不利于數(shù)據(jù)的有效傳輸，無法實(shí)現(xiàn)可靠地水下點(diǎn)對點(diǎn)的實(shí)時通信，從而 降低了分布式水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用性。在實(shí)際的超聲通信過程中，超聲接收機(jī)的輸入信號強(qiáng)度受水流、天氣、溫度及深度 等因素影響而發(fā)生變化。如果水聲接收機(jī)的增益保持不變，則可能發(fā)生強(qiáng)信號的堵塞和弱 信號的丟失。而且，超聲接收機(jī)工作時，其輸出電壓及功率是隨著外來的信號場強(qiáng)的大小而 變化的，信號的強(qiáng)度變化從幾mV至幾百mV，但我們希望接收機(jī)的輸出電平變化保持在一 個穩(wěn)定的范圍內(nèi)，避免過強(qiáng)的信號使發(fā)達(dá)器和ADC器件過載，以致?lián)p壞。因此，在接收弱信 號的時候，希望接收機(jī)有較高的增益，而在接收強(qiáng)信號的時候，接收機(jī)的對信號進(jìn)行一定的 衰減。這種要求只靠人工增益控制來實(shí)現(xiàn)是困難的。

實(shí)用新型內(nèi)容針對上述存在的技術(shù)問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種基于自動增益控制的水 下超聲接收機(jī)，以克服現(xiàn)有的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的超生接收機(jī)水聲信道傳輸質(zhì)量差，通 信能力有限，無法實(shí)現(xiàn)自動增益控制等不足，對水下超聲換能器接收的微弱的電信號進(jìn)行 放大、濾波及處理，并且利用自動增益控制電路，確保超聲接收機(jī)的輸出信號“線性、無失 真、恒定”的基本要求。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用如下的技術(shù)方案基于自動增益控制的水下超聲接收機(jī)包括水聲換能器、前置放大電路、帶通濾波器、二級放大電路、自動增益電路、后置放大電路和ADC ；其中，前置放大電路、帶通濾波器、二級放大電路、自動增益電路、后置放大電路、 ADC依次電連接。所述前置放大電路由電壓跟隨器和一級放大電路組成；所述電壓跟隨器的運(yùn)算放大器采用0P37構(gòu)成，所述一級放大電路采用0P820運(yùn) 算放大器構(gòu)成。所述帶通濾波器采用集成數(shù)字濾波器，為二階帶通濾波器，中心頻率 f0=40kHz、帶寬為10kHz、品質(zhì)因數(shù)為4。所述自動增益電路采用的芯片為AD公司的AD603可控放大器，放大倍數(shù) 為-20db 20db，對應(yīng)放大倍數(shù)為0. 1-10倍。所述后置放大電路采用采用TI公司的TLC5M0。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果1)本實(shí)用新型中0P37在跟隨狀態(tài)具有高帶寬，且輸入阻抗比較大，可以使接收到 的微弱的電壓信號基本全部被前置放大電路吸收。0P820具有高帶寬、高增益范圍的優(yōu)點(diǎn)；2)本實(shí)用新型中MAX^2可以通過軟件設(shè)計濾波器，通過SPI 口通訊可設(shè)定濾波 器的中心頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q，MAX^52內(nèi)部集成運(yùn)算放大器，可以增加整個接收機(jī)的增
■、Λ
M ；3)本實(shí)用新型利用自動增益控制電路AD603，其最大優(yōu)點(diǎn)是線性可控增益范圍大， 單個芯片既能針對弱信號進(jìn)行30dB的放大，又能針對近距離的強(qiáng)信號進(jìn)行IOdB的衰 減。在整個水下超聲信號接收過程中，針對輸入信號的強(qiáng)弱，實(shí)時調(diào)整增益/衰減倍數(shù)，確 保超聲接收機(jī)的輸出信號“線性、無失真、恒定”的基本要求。

圖1是本實(shí)用新型提供的基于自動增益控制的水下超聲接收機(jī)的電路結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
下面以具體實(shí)施例結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明本實(shí)用新型提出的基于自動增益控制的水下超聲接收機(jī)，具體采用了如下技術(shù)方 案，參見圖1，主要包括水聲換能器、前置放大電路、帶通濾波器、二級放大電路、自動增益電 路、后置放大電路和ADC。其電路按照水聲換能器，前置放大電路，帶通濾波器，二級放大電 路，自動增益電路，后置放大電路，ADC的順序相連接。本實(shí)用新型中的水聲換能器的作用是把接收到的聲信號轉(zhuǎn)化為電信號。本實(shí)用新型中的前置放大電路由電壓跟隨器和一級放大電路組成。跟隨器的運(yùn)算 放大器采用0P37。采用0P37的是因?yàn)槠湓诟S狀態(tài)具有高帶寬，另一重要原因是0P37 的輸入阻抗比較大，可以使接收到的微弱的電壓信號基本全部被前置放大電路吸收。一級 放大電路采用0P820預(yù)算放大器，具有高帶寬、高增益范圍的特點(diǎn)。本實(shí)用新型中的帶通濾波器集成數(shù)字濾波器。由于水下噪聲對超聲信號 的接收有很大的影響，因此要對接收到的水聲信號源進(jìn)行濾波處理。MAX262可以通過軟件 設(shè)計濾波器，通過SPI 口通訊可設(shè)定濾波器的中心頻率fQ和品質(zhì)因數(shù)Q，MAX^2內(nèi)部集成運(yùn)算放大器。本實(shí)用新型中，將設(shè)計為二階帶通濾波器(可選四階濾波器)，中心頻 率&=40紐2，帶寬設(shè)定為10kHz，品質(zhì)因數(shù)設(shè)定為4。同時利用MAX^2內(nèi)部集成的運(yùn)算放 大器，可以增加整個接收機(jī)的增益。本實(shí)用新型中的自動增益電路主要功能是使接收機(jī)的增益隨輸入量的強(qiáng)弱自動 改變，使其輸出電壓基本保持恒定。自動增益控制電路的是水聲接收機(jī)信噪比控制的重要 技術(shù)指標(biāo)，通過自動增益電路可以判斷出水聲接收機(jī)性能的好壞。采用芯片為AD公司的 AD603可控放大器。放大倍數(shù)控制在-20db-20db。對應(yīng)放大倍數(shù)為0. 1_10倍。AD603的最 大優(yōu)點(diǎn)是線性可控增益范圍大，單個芯片既能針對弱信號進(jìn)行30dB的放大，又能針對近 距離的強(qiáng)信號進(jìn)行IOdB的衰減。在整個水下超聲信號接收過程中，針對輸入信號的強(qiáng)弱， 實(shí)時調(diào)整增益/衰減倍數(shù)，確保超聲接收機(jī)的輸出信號“線性、無失真、恒定”的基本要求。 在實(shí)際的超聲通信過程中，超聲接收機(jī)的輸入信號強(qiáng)度受水流、天氣、溫度及深度等因素影 響而發(fā)生變化。如果超聲接收機(jī)的增益保持不變，則可能發(fā)生強(qiáng)信號的堵塞和弱信號的丟 失。為此必須采用AGC電路使超聲接收機(jī)的增益隨輸入信號的強(qiáng)弱變化。盡可能減少超 聲接收機(jī)輸出信號電平的接收范圍。根據(jù)系統(tǒng)的總體要求和電路的實(shí)際情況，確定AD603 輸出信號的范圍為0. 5V-2. 0V。本實(shí)用新型中的后置放大電路是根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計的。A/D轉(zhuǎn)換芯片采 用TI公司的TLC5M0。TLC5540的模擬輸入端是0. 5v_2. 5v電壓，而控制AD603的輸出為 Vpp=2. OV0以上實(shí)施例僅供說明本實(shí)用新型之用，而非對本實(shí)用新型的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域 的技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍的情況下，還可以作出各種變換或變型，因 此所有等同的技術(shù)方案，都落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種基于自動增益控制的水下超聲接收機(jī)，其特征在于，包括水聲換能器、前置放大電路、帶通濾波器、二級放大電路、自動增益電路、后置放大電路 禾P ADC ；其中，前置放大電路、帶通濾波器、二級放大電路、自動增益電路、后置放大電路、ADC依 次電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自動增益控制的水下超聲接收機(jī)，其特征在于 所述前置放大電路由電壓跟隨器和一級放大電路組成；所述電壓跟隨器的運(yùn)算放大器采用0P37構(gòu)成，所述一級放大電路采用0P820運(yùn)算放 大器構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自動增益控制的水下超聲接收機(jī)，其特征在于 所述帶通濾波器采用集成數(shù)字濾波器，為二階帶通濾波器，中心頻率f0=40kHz、帶寬為10kHz、品質(zhì)因數(shù)為4。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自動增益控制的水下超聲接收機(jī)，其特征在于所述自動增益電路采用的芯片為AD公司的AD603可控放大器，放大倍數(shù)為_20db 20db，對應(yīng)放大倍數(shù)為0. 1-10倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自動增益控制的水下超聲接收機(jī)，其特征在于 所述后置放大電路采用采用TI公司的TLC5540。
專利摘要本實(shí)用新型涉及水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于自動增益控制的水下超聲接收機(jī)。本實(shí)用新型包括水聲換能器、前置放大電路、帶通濾波器、二級放大電路、自動增益電路、后置放大電路和ADC；其中，前置放大電路、帶通濾波器、二級放大電路、自動增益電路、后置放大電路、ADC依次電連接。本實(shí)用新型線性可控增益范圍大，單個芯片既能針對弱信號進(jìn)行30dB的放大，又能針對近距離的強(qiáng)信號進(jìn)行10dB的衰減。在整個水下超聲信號接收過程中，針對輸入信號的強(qiáng)弱，實(shí)時調(diào)整增益/衰減倍數(shù)，確保超聲接收機(jī)的輸出信號“線性、無失真、恒定”的基本要求。
文檔編號H03G3/20GK201860334SQ20102061009
公開日2011年6月8日 申請日期2010年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月17日
發(fā)明者方彥軍, 李昕, 王琛, 譚濤 申請人:武漢大學(xué)