【正文】 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 1 頁 共 38 頁 1 緒論 背景 及 意義 水下超聲波探測器最早在軍事上得到運用 ， 水下超聲探測是利用超聲波探測水中目標 ，主要運用在魚雷 ，水下炸彈、深彈 等 領域， 若能夠自動搜索、定位 、 并跟蹤目標 ,為引信發(fā)火控制系統(tǒng)提供更多信息 ,則將對提高水中武器彈藥或戰(zhàn)斗部的毀傷能力起很大作用。 近些年 各 個 國 家的 海軍紛紛調整戰(zhàn)略核心 ,將近海作為各自的重要領地 ,不斷加重 武器 在 淺海 作戰(zhàn) 性能的要求 ,隨著高技術的 迅速 發(fā)展 ,促使?jié)撏У仍跈C動性、 防護性等方面 得到迅猛發(fā)展 ,因此 對深彈探測目標的可靠性、有效射程 、 及爆炸威力等 方面 提出了更高的要求。其中 ,對目標的可靠探測 更是 離不開深彈引信的發(fā)展 ,而目前我國現(xiàn)役深彈引信功能單一 ,只有觸發(fā) 、 電子延期兩種作用方式 ,反潛能力有限。 因此，導彈水下目標的超聲波檢測器，用于現(xiàn)代引信技術提高作業(yè)效率，深水炸彈，鞏固我國沿海防御的意義是非常重要的 。 在水中超聲探測中，根據仿生學，探測信號一般由常頻（ CW） 信號 和調頻（ FM）信號組成 。 CW 信號是用來發(fā)現(xiàn)目標， FM 信號用于目標定位的精細結構，目標識別。水下深彈能夠準確的識別 、 以及打擊目標，首先要解決 的問題是 怎樣識別目標，為此，安裝在彈頭上的水下探測器能夠產生常頻信號（ CW），當有 目標回波信號時，立即自動切換發(fā)射調頻信號（ FM），系統(tǒng)進入目標跟蹤、 攻擊階段。 實現(xiàn)這項信號轉換功能的還需要控制電路的參與， 與此同時，目前在信號轉換技術上，大部分的廠商采取專用集成電路，顯然這種芯片的開發(fā)成本相比其它的方法成本較高，另外自主研發(fā)的芯片在性能上與專用芯片 的相差甚遠 ，為此本文將采用先進的復雜可編程邏輯器件CPLD，高性能、低成本來實現(xiàn)此功能。 Complex PLD 的縮寫可以寫成 CPLD。它是一個相比于 PLD 器件更加強大的邏輯編輯器件。它的組成是經過很多的邏輯方塊想結合構成。對于組成它的這些方塊其實就相當于單個的 PLD?？梢酝ㄟ^根據每一獨立的邏輯方塊中和其他的獨立方塊的關系來相結合為完整的邏輯電路。所以復雜可編程邏輯器件具有很強的時序控制能力和邏輯組合能力 ,利用根據它的這些特點應用于超聲探測發(fā)射控制電路設計的研究 ,不僅僅可以完成提高整個系統(tǒng)的集成度的任務。也可以達到其他的優(yōu)點，比如提高了精確度和可靠性還可以削減制作的費用。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 2 頁 共 38 頁 相關的技術研究 平常說的 調制技術是 的方法是將 基帶信號 轉變?yōu)?傳輸信號 。而所謂的調制就是通過使用基帶信號來智能調整控制載波的相關參數(shù)。讓這些該參數(shù)根據基帶信號的順序進行對 應的調整。 正弦信號作為載波調制的連續(xù)波（ CW），連續(xù)不斷的波的簡稱，但這并不意味著信號的連續(xù)發(fā)射，但指的是頻率和振幅 。對于 FM 的頻率 以及 AM 的振輻 相對與 時間 變化 而 變化的方法不一樣。 調制信號 是超寬帶信號的一種主要實現(xiàn)形式，不同的調制方式導致信號的產生方式各不同，也是最早、應用最廣泛的脈沖壓縮信號，它的突出優(yōu)點是匹配濾波器對回波信號的多普勒不敏感，及時回波信號有較大的多普勒頻移，原來的匹配濾波器仍能夠起到脈沖壓縮的作用，簡化了信號處理系統(tǒng)。 核心是 CPLD 的這樣的計數(shù)檢波器件，可以辨別出信號的頻率。使用這 樣的器件就可以滿足檢波還有濾波這樣的兩個方面效果。相比與以前的二極管包絡檢波器它的功能更加優(yōu)越，彌補了以前的不足；由于 CPLD 包括了在線編程功能這個優(yōu)勢，所以能夠通過改變 VHDL 程序來對 CPLD 再次配置，讓計數(shù)檢波判別電路包含有些柔性以及可升級性能，能夠適時的改變檢波輸出。計數(shù)檢波器是在控制電路中的 CPLD 的基礎上實現(xiàn)的，即和部分控制電路集成在一塊芯片上，減少了元器件的數(shù)量，提高了電路的可靠性和抗干擾能力。 本文的 主要研究內容 本文主要研究 超聲波的發(fā)射控制電路 和計數(shù) 檢波判別電路 ，對于 CW 信號的發(fā)射電路采用 AT89C52 單片機 芯片控制晶振芯片 產生，然后通過帶通濾波電路，經過超聲波發(fā)射頭發(fā)射出去， 搜索目標，當信號觸碰到目標物體時產生回波信號，回波信號通過超聲波接收頭接收信號，再通過接收機阻抗匹配，將信號輸入到兩級放器進行放大， 將放大后的信號再經過帶通濾波電路、增益控制電路、整形電路等一系列電路后，以 CPLD（ EPM7128SLC8415）芯片的輸入 為依據 ，根據超聲波檢測系統(tǒng)的總體要求，進行 基于 CPLD 的計數(shù)檢測判決電路 的 設計 ， 用于判別 多普勒頻偏信號并 產生 控制信號 ，控制是否繼續(xù)發(fā)射探測信號。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 3 頁 共 38 頁 2 超聲探測發(fā)射控制電路 總體方案 水下超聲探測是通過 接收所 發(fā)射 的 超聲信號 的回波信號來判斷目標的有無，及目標的方位、距離和移動目標的速度等。由仿生學原理，根據目標的有無需發(fā)射不同的信號，即 CW 波或 FM 波，所以在電路上需要對回波信號進行判斷，并根據判斷的結果控制發(fā)射何種信號。 發(fā)射控制電路 結構 本課題主要是把設計好的關于 CW 信號發(fā)射的程序寫在 AT89C52 單片機中以及關于是否發(fā)射 FM 信號的 VHDL 程序寫在 CPLD 芯片中，并通過 LED 燈的狀態(tài)（亮或不亮）來顯示是否成功實現(xiàn)對 FM 信號的控制功能，并且設計用一 個穩(wěn)壓電路來驅動的方案，并進行論證 。本次課題的設計內容主要分為以下三個部分： 第一部分： 發(fā)射控制電路 的 硬件 設計。包括設計方案的思路構想與選擇，電路設計的可行性，元器件的選擇等問題，本課題的硬件電路分為兩大塊，一是單片機 芯片控制的 常頻（ CW） 信號發(fā)射電路，其中包括單片機芯片電路和帶通濾波電路；二是以 CPLD 芯片控制的計數(shù)檢波判別電路，其中包括接收機阻抗匹配電路、兩級放大電路、帶通濾波電路、增益控制電路、整形電路和 CPLD 芯片電路，還有幾個小電路，如電壓轉換電路和 LED 指示燈電路。 第二部分：發(fā)射控制電路 的 軟件 設計。本次課題 CW 信號發(fā)射部分 程序 是 利用 C語言進行編寫的， 在 AT89C52 芯片特性的基礎上進行編寫的， 而在計數(shù)檢波判別電路中，是利用 VHDL 語言進行 FM 信號控制的程序編寫，主要構思是模塊化和自上而下， 這樣能夠提高程序的準確性，能夠方便的檢查錯誤，而且可以經過后續(xù) 查閱相關的書籍和資料，添加或刪除一些程序，使其達到了本次畢業(yè)設計的技術要求， 然后 才能更好的進行下一步的調試工作了。 第三部分： 實驗驗證 。 實驗驗證相對 復雜，特別是針對一些最為關鍵性的子模塊電路， 例如 基于 AT89C52 單片機芯片 特性的 控制 CW 信號發(fā)射電 路 ，單片機芯片電路和帶通 濾波電路，接收機阻抗匹配電路、兩級放大電路、濾波電路、增益控制電路與 整形電路 、 CPLD 芯片電路等，調試的過程中主要分為硬件調試，軟件調試和實物調試，硬件的調試主要檢查設已經設計好的電路是否存在問題，軟件的調試主要是針對程序是否有 不足或是否能達到相關的技術要求和應該要實現(xiàn)的功能，然后進行 實物的調試 。在調試過程中有三點調試步驟需要牢記，它們的實現(xiàn)程度決定了本次課題設 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 4 頁 共 38 頁 計的成敗，第一，檢查接通電源時元器件能否正常運行，第二，能否實現(xiàn)課題的要求，第三，思考本課題能否更進一步的完善 發(fā) 射控制電路 方案 發(fā)射 控制電路由 CW 信號發(fā)射電路 和 計數(shù)檢波判別電路 組成 。 CW 信號發(fā)射 電路 方案 方案一： 傳統(tǒng)的方法，即模擬方法，模擬方法又分為有源法和無源法， 有源法一般被稱為 直接合成法 ,通過給電壓控制壓控振蕩器 (VCO)施加按一定規(guī)律變化的鋸齒電壓來產生發(fā)射信號 ,其原理如圖 所示。此方法相對 簡單 ,但是穩(wěn)定性不高 ,相位噪聲較高 ,產生的信號頻率存在溫 度漂移。 圖 有源法原理框圖 無源法利用窄脈沖激勵產生特定信號 , 因為其具有特定延時特性的網絡，原理如下。就是對于隨意的全部單獨信 號都能夠通過單獨的樣式差不多的、而且包含零相位頻譜的信號來生成。這樣的信號通常都要經過包含可以配合的相頻特性全通網絡來生成。 這種方法的 關鍵是 要 設計一個群延時網絡 ,而此網絡要與所要求的相頻特性一致，無源法 原理框圖如圖 所示。 圖 無源法原理框圖 方案二： 采用單片機芯片 AT89C52 與 濾波電路結合的方法產生 CW 信號， 利用單片機產生方波，經 過 濾波電路 使其 變成一個 正弦波， 將正弦波信號 調 制成課題所 要壓控振蕩器 鋸齒波產生器 波門選通 方波產生器 倍頻器 同步信號 Sinx 波形產生器 一定相頻特性的網絡 限幅 選通 定時時鐘 發(fā)射信號輸出 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 5 頁 共 38 頁 求 的 脈寬的 CW 脈沖信號，之后經過 隔離級 電路，能夠 減少后級對 CW 脈沖 信號產生電路的影響。 CW 脈沖信號產 生電路圖 顯示 。 圖 CW 信號產生電路框圖 雖然 模擬法 己經發(fā)展的相對 成熟 ,可是 在實際應用中 還 存在很多問題和不足 ,比如 模擬法 采用很多 非線性器件 ,電路結構 非常 復雜 ,產生 成信號 中存在較多雜波分量 ,頻譜純度低 ,而且 在抗干擾性能方面 也 存在固有的缺陷。另外 ,產生信號頻率分辨率低、精度低、信號形式單一 ,產生復雜信號困難。 所以在產生 CW 信號的方案中，我選擇了方案二，因為本課題主要的研究對象是計數(shù)檢波電路的設計，沒有對 CW 信號有參數(shù)的要求，所以在產生 CW 信號的電路中去掉了模擬開關和隔離級兩部分。