王雪平，鄧鍇，張兆偉

一種分時(shí)工作的雙路聲吶發(fā)射機(jī)研制

王雪平1,2，鄧鍇1,2，張兆偉1,2

(1. 中科院聲學(xué)研究所海洋聲學(xué)技術(shù)中心，北京 100190；2. 北京市海洋聲學(xué)裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100190)

針對(duì)自容式波浪聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profilers, ADCP)所需聲吶發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種分時(shí)工作的雙路聲吶發(fā)射機(jī)。從工程實(shí)際需求出發(fā)，結(jié)合功率電路的理論、工作經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)方法，提出一種全新的分時(shí)工作的雙路聲吶發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)方案，制作出樣機(jī)，并進(jìn)行了水池試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該分時(shí)工作的雙路聲吶發(fā)射機(jī)，所選擇的發(fā)射機(jī)通道能準(zhǔn)確地輸出相應(yīng)的發(fā)射電壓，滿足自容式波浪ADCP的需求。

聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)；自容式波浪ADCP；聲吶發(fā)射機(jī)；分時(shí)工作方式

0 引言

波浪是海水運(yùn)動(dòng)的形式之一，也是物理海洋學(xué)研究的重要內(nèi)容，是海洋預(yù)報(bào)、減災(zāi)防災(zāi)、海洋工程和航海安全等領(lǐng)域的重要輸入?yún)?shù)之一。研究波浪必須進(jìn)行波浪觀測(cè)，目前進(jìn)行波浪觀測(cè)有多種有效的手段，采用較多的有人工測(cè)量法，儀器測(cè)量法和遙感反演法。浪流一體的海流波浪ADCP是在自容式ADCP的基礎(chǔ)上增加測(cè)波浪的功能，布置在海底觀察波浪的波高與波速。自容式波浪ADCP需要4個(gè)聲學(xué)波束，獲得海表面附近水質(zhì)點(diǎn)隨波浪運(yùn)動(dòng)的軌跡速度，還需要一個(gè)中間垂直波束直接進(jìn)行波面跟蹤，獲得高頻率高精度的波面高度數(shù)據(jù)，然后采用波浪反演法得出波浪的波高與波速。自容式波浪多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profilers, ADCP)需要兩發(fā)射機(jī)獲取所需的數(shù)據(jù)，一臺(tái)是四波束發(fā)射機(jī)，一臺(tái)是單波束發(fā)射機(jī)，兩臺(tái)發(fā)射機(jī)工作時(shí)間點(diǎn)不同，發(fā)射電壓的需求也不同。

1 雙路聲吶發(fā)射機(jī)系統(tǒng)組成

分時(shí)工作的雙路發(fā)射機(jī)電路主要由產(chǎn)生信號(hào)的FPGA電路、驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離電路、模擬開(kāi)關(guān)選擇電路、電容濾波整流電路、驅(qū)動(dòng)信號(hào)的放大電路、全橋逆變電路、變壓器匹配電路組成，分時(shí)工作的雙路聲吶發(fā)射機(jī)的硬件工作流程框圖如圖1所示，其主要特點(diǎn)是：(1) 采用隔離電路有助于提高驅(qū)動(dòng)信號(hào)的抗干擾能力。(2) 采用模擬開(kāi)關(guān)選擇驅(qū)動(dòng)信號(hào)，兩路發(fā)射機(jī)電路工作頻率可以相同，也可選擇不同頻率的工作方式。(3) 兩路發(fā)射機(jī)的中心工作頻率均可到1MHz，可擴(kuò)展使用至更高頻率的波浪ADCP。

圖1 雙路聲吶發(fā)射機(jī)框圖

1.1 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離電路

驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離電路主要作用是隔開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)驅(qū)動(dòng)信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以避免驅(qū)動(dòng)電路在工作過(guò)程中產(chǎn)生的紋波影響到前級(jí)，同時(shí)一旦全橋逆變電路出現(xiàn)問(wèn)題，也能保護(hù)前級(jí)的電路保持繼續(xù)工作狀態(tài)。

驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離電路中采用的主要隔離芯片是ADuM1400，這是一款有4個(gè)通道數(shù)字的隔離芯片，其采用新技術(shù)可出色地實(shí)現(xiàn)隔離性能，不需要眾多外圍器件，與普通的隔離器件相比，該芯片設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功耗較低[1]。驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離電路如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離電路

1.2 模擬開(kāi)關(guān)電路

模擬開(kāi)關(guān)的示意圖如圖3所示，利用信號(hào)S的高低電平來(lái)選擇信號(hào)Q和NQ是連通A路驅(qū)動(dòng)信號(hào)還是連通B路驅(qū)動(dòng)信號(hào)。本設(shè)計(jì)選擇的模擬開(kāi)關(guān)是ADG736，此器件內(nèi)置了兩個(gè)獨(dú)立的CMOS單刀雙擲開(kāi)關(guān)，這些開(kāi)關(guān)具有低功耗、高開(kāi)關(guān)速度、低導(dǎo)通電阻等特性。

ADG736具有超低的導(dǎo)通電阻，導(dǎo)通電阻在整個(gè)模擬信號(hào)頻率范圍內(nèi)變化不大，可以保證信號(hào)在切換時(shí)擁有出色的線性度和低失真性能；同時(shí)ADG736具有極快的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間，開(kāi)通時(shí)間為16 ns、關(guān)斷時(shí)間為8 ns，這為雙路發(fā)射機(jī)工作頻率為1 MHz提供了可能，模擬開(kāi)關(guān)電路如圖4所示。

圖3 模擬開(kāi)關(guān)工作示意圖

圖4 模擬開(kāi)關(guān)電路

1.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

分時(shí)工作的兩路發(fā)射機(jī)發(fā)射功率不同，為簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，這兩路發(fā)射機(jī)采用相同的硬件電路。因?yàn)榉謺r(shí)工作的雙路發(fā)射機(jī)工作頻率較高，為了減小在開(kāi)關(guān)過(guò)程中功率金氧半場(chǎng)效晶體管(Metal-Oxide Semi- conductor Field-Effect Transistor, MOSFET)產(chǎn)生的功耗，必須快速地打開(kāi)或者閉合功率MOSFET，所以驅(qū)動(dòng)電路必須有提供較大灌電流和拉電流的能力[2]。

本設(shè)計(jì)選用的驅(qū)動(dòng)芯片是IR2110S，這款驅(qū)動(dòng)器件具有自舉浮動(dòng)電源，其驅(qū)動(dòng)電路的外圍器件十分簡(jiǎn)單，只用一個(gè)電源可同時(shí)驅(qū)動(dòng)上小橋臂。其主要的工作指標(biāo)[3]為

(1) 可輸出高邊和低邊兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

(2) 懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500 V；

(3) 開(kāi)通和關(guān)斷延遲小，分別為120 ns和94 ns；

(4) 輸出電流峰值約為2 A。

IR2110S驅(qū)動(dòng)電路圖如圖5所示。

圖5 IR2110S驅(qū)動(dòng)電路圖

1.4 功率放大電路設(shè)計(jì)

對(duì)于大功率發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)選擇開(kāi)關(guān)MOSFET時(shí)，很多參數(shù)都需要考慮，如最大柵源電壓、最大漏源電壓、最大漏極電流、內(nèi)阻、輸入電容、柵電荷等[4]。

綜合考慮選擇MOS管等諸多因素，發(fā)射機(jī)A選擇IRFR3710作為功放管。

發(fā)射機(jī)B需輸出功率是20 W，電源電壓為24 V，功率管上管壓降約為2 V，則流過(guò)功放管的最大漏極電流：

綜合考慮選擇MOS管等諸多因素，發(fā)射機(jī)B選擇IRLR3110作為功放管。發(fā)射機(jī)B的輸出功率也可達(dá)400 W，由此可擴(kuò)展分時(shí)工作的雙路發(fā)射機(jī)的用途。

1.5 儲(chǔ)能電容設(shè)計(jì)方法

聲吶發(fā)射機(jī)所發(fā)射的信號(hào)是根據(jù)具體的使用要求來(lái)確定發(fā)射的脈寬和周期，發(fā)射的脈寬和發(fā)射機(jī)周期都會(huì)隨著使用要求的不同而改變，但是無(wú)論脈寬和周期怎樣變化，發(fā)射機(jī)都是在瞬間的發(fā)射功率較大。在發(fā)射機(jī)工作的瞬間，需要提供足夠的工作電流，這就需要大量的儲(chǔ)能電容來(lái)把能量事先儲(chǔ)存起來(lái)，發(fā)射機(jī)不工作時(shí)給電容充電，在發(fā)射機(jī)工作時(shí)，這些電容釋放出儲(chǔ)存的能量為發(fā)射機(jī)提供瞬間大電流[5]。發(fā)射機(jī)所需的儲(chǔ)能電容可由式(3)～(5)計(jì)算：

由此可得：

2 變壓器設(shè)計(jì)原理

由于所采用的水聲換能器是電壓敏感型換能器，其阻抗值較大，而聲吶發(fā)射機(jī)所輸出的電壓幅值取決于電源電壓，不可隨意改變，為了獲得更高的電壓需要變壓器來(lái)耦合聲吶換能器負(fù)載。變壓器是聲吶發(fā)射機(jī)不可缺少的部分，起著十分重要的作用，主要的功能有以下幾點(diǎn)[6]：

(1) 將全橋逆變電路輸出的功率高效地傳輸至聲吶換能器上；

(2) 將聲吶換能器阻抗等效變換至變壓器的初級(jí)側(cè)在初級(jí)側(cè)等效電路中，其等效電阻

其中，為變壓器的變比。

2.1 變壓器設(shè)計(jì)

變壓器的工作頻率取決于發(fā)射機(jī)的工作頻率，根據(jù)發(fā)射機(jī)的工作頻率選擇變壓器的磁性材料，而變壓器初級(jí)和次級(jí)線圈的匝數(shù)以及匝數(shù)比可由下列方式確定：

得到變壓器初級(jí)和次級(jí)線圈的匝數(shù)比后，只要得出初級(jí)線圈的匝數(shù)，就可計(jì)算出變壓器次級(jí)線圈的匝數(shù)。

已知變壓器的最小的初級(jí)電感量，可以通過(guò)繞制變壓器后，采用阻抗分析儀測(cè)量電感的方式確定變壓器初級(jí)線圈的匝數(shù)，從而計(jì)算出次級(jí)的匝數(shù)[8]。

3 雙路發(fā)射機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了檢驗(yàn)雙路發(fā)射機(jī)是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)雙路發(fā)射機(jī)進(jìn)行了功能測(cè)試。

圖6為模擬開(kāi)關(guān)電路輸出的一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬開(kāi)關(guān)后輸出的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，模擬開(kāi)關(guān)電路能根據(jù)工作需要準(zhǔn)確地發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖7為全橋驅(qū)動(dòng)電路的同一橋臂輸出的高端和低端驅(qū)動(dòng)信號(hào)，雖然波形的形狀不完全是方波，但電壓幅值大于7 V，可以完全打開(kāi)MOSFET。

圖7 驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形圖

圖8 發(fā)射機(jī)A輸出的電壓電流波形

圖9 發(fā)射機(jī)B輸出的電壓電流波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研制的海流波浪測(cè)量?jī)x進(jìn)行了水池實(shí)驗(yàn)，證明這種分時(shí)工作的雙路聲吶發(fā)射機(jī)能夠滿足自容式波浪ADCP的功率要求，而且能夠準(zhǔn)確地選擇發(fā)射機(jī)A和發(fā)射機(jī)B工作的時(shí)間段，這種新型的雙路聲吶發(fā)射機(jī)具有足夠的工作帶寬，工作頻率可達(dá)1 MHz，為設(shè)計(jì)更高頻率的自容式波浪ADCP提供了可能。

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WANG Xueping, DENG Kai, WU Jianbo. A new design of high frequency sonar transmitter[J]. Modern Electronics Technique, 2017, 40(5): 89-92.

Development of a dual-channel sonar transmitter with time-sharing working

WANG Xue-ping1,2, DENG Kai1,2, ZHANG Zhao-wei1,2

(1. Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Ocean Acoustic Technology Center, Beijing 100190, China;2. Beijing Marine Acoustic Equipment Engineering Technology Research Center, Beijing 100190, China)

Aimed at the design requirements of sonar transmitter for self-contained wave ADCP, a two-channel sonar transmitter is designed and implemented. Starting from the actual demand of the project and combining the theory, working experience and design methods of power circuits, a new design of dual-time sonar transmitter is proposed in this paper, and a prototype is developed. The developed time-sharing dual-channel sonar transmitter is tested in a pool. The experimental results show that the dual-channel sonar transmitter working at time-sharing mode can accurately output the corresponding voltage to meet the requirements of the current and wave measurements by self-contained ADCP.

acoustic Doppler current profilers (ADCP); self-contained wave ADCP; sonar transmitter; time-sharing working mode

TB565

A

1000-3630(2019)-04-0387-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.04.005

2018-03-13;

2018-05-15

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFC1403404)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFC0405700-2)

王雪平(1977－), 女, 山東菏澤人, 研究方向?yàn)槁晠劝l(fā)射機(jī)。

王雪平, E-mail: sky_wxp@126.com