面向电容式微机械超声换能器器件的32通道收发 电路设计与测试*

针对以电容式微机械超声换能器(CMUT)阵列为探头的超声成像系统,设计了一种兼具现场可编程门阵列(FPGA)控制、脉冲驱动以及微弱电流信号检测功能的电路。利用FPGA产生64路控制信号,控制脉冲信号的频率、脉冲个数、占空比等参数;脉冲电路在FPGA以及直流电压的控制下,产生32路脉冲信号;接收电路通过跨阻放大结构实现32路电流信号检测;32通道收发电路利用脉冲产生芯片内自带的T/R开关进行高压隔离。通过搭建测试平台,对收发电路功能及一致性进行测试,并连接CMUT进行自发自收测试。测试结果表明,32通道收发电路具有良好的一致性,电路可以实现基于CMUT阵列的32通道超声信号的发射,检测回波信号,并对CMUT器件的带宽进行测试。电路具有功能完善,结构稳定的优点,为基于CMUT阵列的超声成像系统的应用提供了硬件支持。     

压电换能器阻抗匹配技术研究

超声测距传感器是由压电换能器及其收、发电路所组成的，其中压电换能器的阻抗特性直接影响着超声测距传感器的性能。为提高超声波回波信号的强度，扩大超声测距传感器的作用距离，对压电换能器的阻抗特性进行了分析与测试，设计了压电换能器的阻抗匹配电路，并进行了实验验证。     

水下应用的电容式微机械超声换能器阵列设计

为提高用于水下成像的电容式微机械超声换能器的指向性,文中用ANSYS力电耦合分析法设计了工作频率为400 k Hz的收发一体传感器的结构参数并完成了实验验证。同时研究了阵列设计方法,分析了电容式微机械超声换能器阵列各参数对指向性的影响,完成了从微小敏感单元到阵列的设计,实现了阵列指向性的优化设计。该阵列为16阵元的线阵,阵元间距为1.925 mm,阵元宽度为1.82 mm。进行了水下指向性测试,实验表明该线阵的-3 dB主瓣宽度为5?,最大旁瓣级为-13.5 dB,对称性好。该设计是实现较远距离的探测,提高成像分辨率的前提。     

半球谐振陀螺驱动电路仿真及实验研究

半球谐振陀螺具有结构简单、抗辐射与冲击、寿命长、可靠性高等优点,其中驱动电路是获取高精度陀螺信号的关键。对影响半球谐振陀螺性能指标的单元电路展开了研究及优化设计,基于微弱信号处理、滤波等技术研究了提高检测电压稳定的方法。采用Tina-TI软件对设计电路的性能进行了仿真,实现了增益40 dB、噪声4.81μV/√Hz的整体电路设计。搭建陀螺样机测试了电路,根据实验结果给出了HRG不同叠加激励信号的作用下其输出信号的演变趋势。结果表明:随着直流、交流电压的增加,均会增大半球谐振陀螺输出信号的幅值;当激励信号电压不变时,交流信号的频率改变也会影响半球谐振陀螺输出信号的幅值。因此,研究半球谐振陀螺的激励信号对输出信号的影响,为设计半球谐振陀螺的驱动电路提供了参考。     

相关检测技术在单脉冲激光测距中的应用

采用雪崩光电二极管探测微弱激光脉冲回波信号,依据相关检测技术对微弱的激光回波进行处理,从而获得较高信噪比回波信号.首先通过软件仿真验证了该实验方法的可行性,并在实验中采用消光比测量法对激光测距机测距能力进行了测试,将信噪比为-2.1 dB原始信号经过相关检测后提升至10 dB,消光比从原始激光测距模式的30 dB提升至44 dB.实验结果表明采用相关检测方法可以提高激光测距机测距能力及精准度,具有一定实用价值.     

基于LVDT的新型信号调理电路的设计研究

LVDT线性可变差动变压器,其输出信号为两个线圈的差动电压信号,能够实时的、高准确性的将机械位移信号转化成电信号。传统LVDT信号调理电路存在不易散热、检测修复困难、性价比低、适用范围窄等问题,本文设计了一种新型LVDT信号调理电路,该信号调理电路由驱动电路、整流归一化电路和滤波放大电路组成,测试结果能够匹配LVDT的输出信号特性,达到LVDT信号调理的各项指标要求,实验结果表明本设计具有一定的可行性。     

基于Hilbert变换的水下多源声信号频率的相干探测

为实现水下中低频声信号的探测识别,通过研究水下多声源相干探测信号的特征,理论上给出了相干探测信号频谱混叠情况下的特征表达式,并提出了一种基于Hilbert变换的信号解调处理方法,实现了水下多声源相干探测信号频谱混叠情况下各声源发声频率的解调.该方法将探测信号经过滤波平滑处理之后进行Hilbert变换,得到信号的解析形式,然后对解析信号模值的平方进行二次滤波平滑等处理,分离混叠在一起的频带,将得到的信号进行频谱分析,根据频移值计算得到水下各个声源的发声频率.在光学暗室下搭建激光相干探测系统,对2~6kHz的水下声信号进行实验,实验结果表明,该方法可以有效分离探测信号中混叠在一起的信号频带,并准确提取各水下声信号的发声频率,频率提取重复性不大于2.5Hz.     

用于眼轴长度测量的弱光信号检测系统设计

在眼内入射光安全的前提下，由于眼轴长度测量时角膜表面与视网膜色素上皮层2个反射面的反射率相差较大，反射的光信号强度属于微弱信号范畴。为了能够去除噪声，快速提取该信号的峰值用于眼轴长度起止点计算，采用PIN光电二极管接收微弱光信号并配合I-V转换电路、自动增益控制电路及后级处理电路搭建了一套弱光信号检测系统。实验采用ZIESS模拟眼进行测试，结果表明设计的检测系统最小能探测到0.77 nW左右的微弱光信号，最大光电转换能力可达4.5×108 V/W，信噪比达到9 dB以上，测得眼轴长度结果与实际值最大存在0.05%的误差。系统具有低噪声、高增益、大动态范围等优点，为实现眼轴长度精准测量提供了一种有效方案。     

一种简单高精度超声液位计系统的设计与实现

介绍了超声时延法测距的基本原理,设计并实现了一种基于DSP的超声液位计系统,改进国内同类产品精度和稳定度偏低的问题。利用选用的AD、DSP芯片特点,给出了一种简单高效率的超声换能器驱动电路和回波采集放大电路的实现方案;使用通用16位定点DSP芯片TMS320VC5502,实现测距算法,增强了后端数字信号处理能力;使用收发一体窄带超声换能器发射和接收超声信号,其中心频率20kHz,3dB带宽1kHz。实验结果表明,本系统测量范围为0.5～18m,测量精度可达到测量距离的0.5%。     

基于锁相放大原理的微弱光信号检测系统设计

为了解决强噪声背景下微弱光信号检测难的问题,介绍了一种基于锁相放大原理的微弱光信号检测系统。系统采用对1 550nm的DFB激光进行调制的方法产生前级信号,利用PIN光电二极管产生的电流信号作为原始信号,经过前级放大、锁相放大及低通滤波电路还原调制信号。系统采用OPA124作为前级运放,AD630作为锁相放大器,参考信号和调制信号均由DDS芯片AD9850产生。滤波电路、移相电路和调制电路均采用高精度运放OP07来设计。实验结果表明,该系统具有很高的线性度,灵敏度为4.51V/V,精度大于0.05%,是一种高精度、高实用性的微弱光信号检测系统。     

弹光调制光电转换放大电路设计

弹光调制干涉具调制的干涉光被探测器接收后输出高速变化的微弱电信号,能否将该电信号提取并放大输出对弹光调制-傅里叶变换光谱仪的研制至关重要。通过对调制干涉光进行理论分析,设计一种具有高信噪比和较高带宽的光电转换放大电路,主要由电源电路、光电转换电路、放大电路、理论通频带为100 kHz~3.5 MHz的带通滤波电路组成。实验结果表明:设计的电路能够将探测器输出的最大频率为1.6 MHz的信号放大至670 mV左右,实现了将探测器输出的微弱速变电信号从背景噪声中有效提取与放大,为后续傅里叶变换提供可靠数据。     

面向CMUT声发射特性的驱动电路优化设计

根据电容式微机械超声换能器(CMUT)的工作原理,设计了用于驱动CMUT发射超声波的电路.通过适当的串行匹配,消除了脉冲激励信号的过冲现象.在此基础上进一步探究了脉冲激励参数对CMUT声发射特性影响.结果表明,随着激励脉冲个数的增加,CMUT输出超声信号的有效带宽逐渐变窄,二次谐波逐渐增强;随着激励脉冲占空比的增加,C...     

Simple Analog Complementary Metal Oxide Semiconductor Circuit for Generating Motion Signal

We proposed in this study a novel analog complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuit for generating a motion signal when an object moves, which is a simple structure. The proposed unit circuit was constructed using a previously proposed edge detection circuit and a novel proposed circuit for generating a motion signal which accepts an edge signal. The part for generating the motion signal was constructed using six metal oxide semiconductor (MOS) transistors and one capacitor. Results obtained by the simulation program with integrated circuit emphasis (SPICE) and the measured results of a test circuit constructed with discrete MOS transistors and the test circuit fabricated with a 1.2 μm CMOS process showed that the proposed unit circuit can output pulsed current (motion signal) when an object moves on the circuit. It was clarified from the SPICE results that the two-dimensional network constructed with proposed unit circuits can output motion signals. The size of the novel unit circuit is expected to be about 110 × 110μm² obtained by the 1.2 μm CMOS process. It is possible to arrange 90 × 90 unit circuits on a chip which has an area of 1 × 1cm². The aperture ratio is expected to be about 21%, which is twice as large as that of the previously proposed circuit. An integrated circuit for image processing in real time can thus be realized by applying the two-dimensional network constructed with the proposed circuits.     

一种基于广义Duffing振子的水中弱目标检测方法

海洋环境中,在水下目标的线谱频率未知或者目标辐射噪声的连续谱很弱时,很难实现水中弱目标的准确检测,本文提出基于广义Duffing振子检测系统的水下目标辐射噪声检测方法.通过对传统周期扰动的Duffing振子信号检测系统的分析和推广,提出了一种可输入非周期、非平稳信号的广义Duffing振子检测系统,可检测输入的无先验信息目标信号.为实现广义Duffing振子系统运动状态的精确、有效判断,提出了一种相空间图形的离散分布列计算方法,通过类网格函数实现了利用统计复杂度对系统输出的嵌入式表征,从而实现了无先验信息时的水中弱目标的嵌入式检测.相同条件下与传统检测方法仿真对比可知,本文提出的方法可以检测到更低信噪比下的目标,并能满足水中检测实时性要求.     

基于随机共振进行弱信号探测的实验研究

非线性随机共振系统可利用噪声增强微弱信号检测的能力,为强噪声背景下微弱信号的检测开创了新方法.基于随机共振的基本原理设计了硬件电路系统,并将其应用于检测单频和多频微弱信号;通过输入模拟工程实际的带噪信号,采样所得的输出信号的频谱分析结果表明,利用随机共振技术可从强噪声背景下有效地提取出单频和多频弱信号.多频弱信号的有效提取拓展了基于随机共振原理的弱信号检测技术的应用领域,结合数字滤波处理技术有效地消除了低频噪声对信号识别的影响.基于随机共振的弱信号检测技术在信息识别与信息处理方面具有巨大的潜在的应用价值.     

基于光纤传感的核信号读出方法中的调制驱动模块设计和实现

基于光相位调制的核信号读出方法将探测器信号调制进光纤中，并使用光纤作为模拟信号的传输介质。在该读出方案中，调制驱动模块负责载波信号的产生及放大，是该方案读出电子学系统的重要组成部分。为了产生低相位噪声，幅度大且幅度可调的载波信号，本工作提出了基于锁相环的载波产生电路和基于MMIC射频放大器的载波放大电路的设计方案，该方案结构简单，尺寸小，性能优异。对载波产生电路使用了ADIsimPLL仿真软件进行了环路滤波器的设计和仿真，同时也对载波放大电路使用ADS仿真软件进行了设计和仿真，并在实验室条件下进行了测试。测试结果表明，输出26 dBm载波信号相位噪声好于–110 dBc/Hz@100 kHz，能够用于信号解调。     

基于时反镜能量检测法的循环移位扩频水声通信

海面的起伏和多普勒效应使得接收信号的载波相位发生跳变以及水声信道的多途扩展使得接收信号波形发生畸变,这严重影响循环移位扩频系统的性能.本文提出循环移位能量检测器算法,通过检测循环移位匹配滤波器的输出能量对系统进行解码,可有效解决载波相位跳变对循环移位扩频系统的影响;将时间反转镜技术与循环移位能量检测器相结合,进一步提出时反镜能量检测器算法,利用已检测到的符号对信道进行实时估计并进行时反处理,抑制了水声信道多途扩展的影响,保证了循环移位扩频系统可在低信噪比条件下工作.通过大连海上试验以及莲花湖湖上试验验证,在复杂水声信道多途扩展、载波相位跳变和低信噪比条件下实现了低误码水声通信.     

基于随机共振原理的分段线性模型的理论分析与实验研究

提出了一种分段线性双稳态模型, 推导了模型的解析关系及其输出信噪比, 通过对该模型与连续双稳态模型的对比分析和仿真实验, 证明了该模型的优越性.该模型具有参数之间相互独立、易于调节的特点. 在对模型分析与数值仿真的基础上, 通过电路对强噪声背景下的微弱周期信号检测进行了实验研究. 结果表明分段线性随机共振模型能够有效实现对微弱周期信号的检测, 并能显著增强输出信噪比.     

聚合物光栅生物传感器光信号检测滤波电路

矩形光栅1级和0级衍射效率之比对光栅的凹槽深度敏感,介绍了将其应用于聚合物光栅生物传感器的原理和光栅衍射光信号检测电路系统原理。设计了锁相放大器的信号通道滤波器,获得带宽不大于1kHz的窄带滤波特性;利用相敏检测器(PSD)结合二阶巴特沃思低通滤波器,使等效噪声带宽限制在20Hz以内,避免了工频干扰,实验结果表明系统输出信噪比SNR可达4 000以上。