水聲信號功率放大器的設計與實現

在現代主動聲納系統中，往往需要針對不同背景噪音以及不同的要求，適時地選擇信號波形，工作頻率，信號時間寬度，帶寬等。例如，常用的信號有單頻矩形脈沖(CW)，線性調頻脈沖信號(LFM)，雙曲線調頻信號等。不同的信號具有不同的特性。對于相同的多普勒分辨率，LFM脈沖的試驗分辨能力要高于CW脈沖，而對于相同的時延分辨力，LFM則要高于CW脈沖。當目標多普勒頻移較小時，相對于長CW脈沖而言，LFM脈沖具有較小的模糊面積，受到少一些的混響影響，而當目標多普勒增大時，長CW脈沖比LFM脈沖信號抗混響效果要好。
本文所提到的水聲信號發生系統采用多功能的數據采集接口板作為信號源，可以通過編寫程序方便產生所需的信號。其所產生的信號穩定，精度高，并且修改容易，通用性強。但由于要直接產生滿足要求的正弦信號具有很大難度，所以產生的都是矩形信號，而且信號的幅度、功率均很小。為解決這一問題，這里提出了功率放大電路，將數據采集接口板產生的矩形信號轉換為正弦信號，并進行幅度和功率放大，以滿足換能器對信號的要求。

1 總體設計

由式(3)可以得出以下結論：周期信號的傅氏變換在各諧波頻率處是一個無限長的等間距的沖擊序列。周期函數具有離散的傅氏變換頻譜。如能設計一電路將矩形周期信號的基頻諧波分量分離出來，便達到了將矩形周期信號轉換為正弦信號的目的。圖1為系統總體框圖。

由于上級電路產生的矩形信號幅度很小，所以先通過前置放大模塊進行初步幅度放大和濾波。前置放大模塊的放大增益可控。PC機通過RS232接口與單片機通信，單片機接收到PC機發出的信息后，再通過調整電阻網絡調整增益。這樣整個系統最終的輸出信號幅度便可以通過PC機控制。矩形信號經過巴特沃思濾波器濾波后轉換為正弦信號，再經過放大濾波，便可傳給大功率運放轉換為大功率信號。最后通過變壓器驅動換能器以產生聲信號。

2 電路設計
該電路按如前所述的功能，可以將其劃分為串口通信模塊、前置放大模塊、巴特沃思低通濾波模塊以及大功率運放模塊。
2．1 串口通信模塊
系統通過標準RS232接口與PC機進行通信。該串口通信模塊的核心是單片機AT89C52，其帶有一個UART(通用異步收發器)。用UART實現串口通信非常容易，其收發協議與標準RS232接口是一致的，只是在電氣特性上有差異：UART采用的是CMOS電平，而RS232接口則采用RS232電平。因此該電路采用了MAX202電平轉換器來轉換電平。其電路圖如圖2所示。