专利名称：基于自动增益控制的水下超声接收机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及水下无线传感器网络的技术领域，尤其涉及一种基于自动增益控 制的水下超声接收机。
背景技术：
随着全球陆地无线传感器网络的飞速发展，以水下超声为传输媒质的水下传感 器网络逐渐得到了越来越多的重视和资金投入。水下传感器网络(underwater acoustic sensor networks, UWASN)有着非常广阔的应用前景，被广泛的应用在多种水下工程和研 究领域。然而，现有的水下传感器网络及其接收机存在着以下缺点(1)、水声信道传输质量差。多径、衰减及多普勒频移等问题使得水下通信的误码 率高、链路暂时性中断现象时有发生。这是水下传感器网络与陆地空中无线传感器网络的 重要区别之一。(2)、电池能力有限。水下传感器网络节点通常携带能量十分有限的电池。由于水 下传感器节点分布水面区域广，而且水下环境复杂，网络节点通常不被回收，所以节点通过 更换电池以补充能源是不现实的。(3)、通信能力有限。水下声通信主要受路径损失，多径、多途、噪声、多普勒频移、 传播延时长和延时易变的影响。这些缺点不利于数据的有效传输，无法实现可靠地水下点对点的实时通信，从而 降低了分布式水下无线传感器网络的实用性。在实际的超声通信过程中，超声接收机的输入信号强度受水流、天气、温度及深度 等因素影响而发生变化。如果水声接收机的增益保持不变，则可能发生强信号的堵塞和弱 信号的丢失。而且，超声接收机工作时，其输出电压及功率是随着外来的信号场强的大小而 变化的，信号的强度变化从几mV至几百mV，但我们希望接收机的输出电平变化保持在一 个稳定的范围内，避免过强的信号使发达器和ADC器件过载，以致损坏。因此，在接收弱信 号的时候，希望接收机有较高的增益，而在接收强信号的时候，接收机的对信号进行一定的 衰减。这种要求只靠人工增益控制来实现是困难的。
实用新型内容针对上述存在的技术问题，本实用新型的目的是提供一种基于自动增益控制的水 下超声接收机，以克服现有的水下无线传感器网络的超生接收机水声信道传输质量差，通 信能力有限，无法实现自动增益控制等不足，对水下超声换能器接收的微弱的电信号进行 放大、滤波及处理，并且利用自动增益控制电路，确保超声接收机的输出信号“线性、无失 真、恒定”的基本要求。为达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案基于自动增益控制的水下超声接收机包括水声换能器、前置放大电路、带通滤波器、二级放大电路、自动增益电路、后置放大电路和ADC ；其中，前置放大电路、带通滤波器、二级放大电路、自动增益电路、后置放大电路、 ADC依次电连接。所述前置放大电路由电压跟随器和一级放大电路组成；所述电压跟随器的运算放大器采用0P37构成，所述一级放大电路采用0P820运 算放大器构成。所述带通滤波器采用集成数字滤波器，为二阶带通滤波器，中心频率 f0=40kHz、带宽为10kHz、品质因数为4。所述自动增益电路采用的芯片为AD公司的AD603可控放大器，放大倍数 为-20db 20db，对应放大倍数为0. 1-10倍。所述后置放大电路采用采用TI公司的TLC5M0。本实用新型具有以下优点和积极效果1)本实用新型中0P37在跟随状态具有高带宽，且输入阻抗比较大，可以使接收到 的微弱的电压信号基本全部被前置放大电路吸收。0P820具有高带宽、高增益范围的优点；2)本实用新型中MAX^2可以通过软件设计滤波器，通过SPI 口通讯可设定滤波 器的中心频率f0和品质因数Q，MAX^52内部集成运算放大器，可以增加整个接收机的增
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M ；3)本实用新型利用自动增益控制电路AD603，其最大优点是线性可控增益范围大， 单个芯片既能针对弱信号进行30dB的放大，又能针对近距离的强信号进行IOdB的衰 减。在整个水下超声信号接收过程中，针对输入信号的强弱，实时调整增益/衰减倍数，确 保超声接收机的输出信号“线性、无失真、恒定”的基本要求。
图1是本实用新型提供的基于自动增益控制的水下超声接收机的电路结构图。
具体实施方式
下面以具体实施例结合附图对本实用新型作进一步说明本实用新型提出的基于自动增益控制的水下超声接收机，具体采用了如下技术方 案，参见图1，主要包括水声换能器、前置放大电路、带通滤波器、二级放大电路、自动增益电 路、后置放大电路和ADC。其电路按照水声换能器，前置放大电路，带通滤波器，二级放大电 路，自动增益电路，后置放大电路，ADC的顺序相连接。本实用新型中的水声换能器的作用是把接收到的声信号转化为电信号。本实用新型中的前置放大电路由电压跟随器和一级放大电路组成。跟随器的运算 放大器采用0P37。采用0P37的是因为其在跟随状态具有高带宽，另一重要原因是0P37 的输入阻抗比较大，可以使接收到的微弱的电压信号基本全部被前置放大电路吸收。一级 放大电路采用0P820预算放大器，具有高带宽、高增益范围的特点。本实用新型中的带通滤波器集成数字滤波器。由于水下噪声对超声信号 的接收有很大的影响，因此要对接收到的水声信号源进行滤波处理。MAX262可以通过软件 设计滤波器，通过SPI 口通讯可设定滤波器的中心频率fQ和品质因数Q，MAX^2内部集成运算放大器。本实用新型中，将设计为二阶带通滤波器(可选四阶滤波器)，中心频 率&=40紐2，带宽设定为10kHz，品质因数设定为4。同时利用MAX^2内部集成的运算放 大器，可以增加整个接收机的增益。本实用新型中的自动增益电路主要功能是使接收机的增益随输入量的强弱自动 改变，使其输出电压基本保持恒定。自动增益控制电路的是水声接收机信噪比控制的重要 技术指标，通过自动增益电路可以判断出水声接收机性能的好坏。采用芯片为AD公司的 AD603可控放大器。放大倍数控制在-20db-20db。对应放大倍数为0. 1_10倍。AD603的最 大优点是线性可控增益范围大，单个芯片既能针对弱信号进行30dB的放大，又能针对近 距离的强信号进行IOdB的衰减。在整个水下超声信号接收过程中，针对输入信号的强弱， 实时调整增益/衰减倍数，确保超声接收机的输出信号“线性、无失真、恒定”的基本要求。 在实际的超声通信过程中，超声接收机的输入信号强度受水流、天气、温度及深度等因素影 响而发生变化。如果超声接收机的增益保持不变，则可能发生强信号的堵塞和弱信号的丢 失。为此必须采用AGC电路使超声接收机的增益随输入信号的强弱变化。尽可能减少超 声接收机输出信号电平的接收范围。根据系统的总体要求和电路的实际情况，确定AD603 输出信号的范围为0. 5V-2. 0V。本实用新型中的后置放大电路是根据A/D转换芯片设计的。A/D转换芯片采 用TI公司的TLC5M0。TLC5540的模拟输入端是0. 5v_2. 5v电压，而控制AD603的输出为 Vpp=2. OV0以上实施例仅供说明本实用新型之用，而非对本实用新型的限制，有关技术领域 的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因 此所有等同的技术方案，都落入本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种基于自动增益控制的水下超声接收机，其特征在于，包括水声换能器、前置放大电路、带通滤波器、二级放大电路、自动增益电路、后置放大电路 禾P ADC ；其中，前置放大电路、带通滤波器、二级放大电路、自动增益电路、后置放大电路、ADC依 次电连接。
2.根据权利要求1所述的基于自动增益控制的水下超声接收机，其特征在于 所述前置放大电路由电压跟随器和一级放大电路组成；所述电压跟随器的运算放大器采用0P37构成，所述一级放大电路采用0P820运算放 大器构成。
3.根据权利要求1所述的基于自动增益控制的水下超声接收机，其特征在于 所述带通滤波器采用集成数字滤波器，为二阶带通滤波器，中心频率f0=40kHz、带宽为10kHz、品质因数为4。
4.根据权利要求1所述的基于自动增益控制的水下超声接收机，其特征在于所述自动增益电路采用的芯片为AD公司的AD603可控放大器，放大倍数为_20db 20db，对应放大倍数为0. 1-10倍。
5.根据权利要求1所述的基于自动增益控制的水下超声接收机，其特征在于 所述后置放大电路采用采用TI公司的TLC5540。
专利摘要本实用新型涉及水下无线传感器网络的技术领域，尤其涉及一种基于自动增益控制的水下超声接收机。本实用新型包括水声换能器、前置放大电路、带通滤波器、二级放大电路、自动增益电路、后置放大电路和ADC；其中，前置放大电路、带通滤波器、二级放大电路、自动增益电路、后置放大电路、ADC依次电连接。本实用新型线性可控增益范围大，单个芯片既能针对弱信号进行30dB的放大，又能针对近距离的强信号进行10dB的衰减。在整个水下超声信号接收过程中，针对输入信号的强弱，实时调整增益/衰减倍数，确保超声接收机的输出信号“线性、无失真、恒定”的基本要求。
文档编号H03G3/20GK201860334SQ20102061009
公开日2011年6月8日 申请日期2010年11月17日 优先权日2010年11月17日
发明者方彦军, 李昕, 王琛, 谭涛 申请人:武汉大学