廖帆，朱代柱，楊文生

應(yīng)答器發(fā)射與控制電路的設(shè)計與實現(xiàn)

廖帆，朱代柱，楊文生

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108)

應(yīng)答器通常在水下測量、定位與導(dǎo)航等領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用，針對某項目對水下測量用應(yīng)答器在長效性、實時控制等方面的需求，設(shè)計了應(yīng)答器的發(fā)射與控制電路。發(fā)射電路采用集成音頻功率放大器TAS5412作為主體電路，并結(jié)合換能器的阻抗特性以及調(diào)諧匹配方法，實現(xiàn)寬帶高效匹配；通過單片機以及I2C總線對發(fā)射機的工作狀態(tài)進行控制。該應(yīng)答器既可根據(jù)遙控指令與參數(shù)，選擇預(yù)存信號波形進行應(yīng)答，也可以實時計算應(yīng)答的信號波形，使用靈活方便，應(yīng)答聲源級可控。湖上和海上試驗的結(jié)果表明，該應(yīng)答器發(fā)射與控制電路工作穩(wěn)定可靠，滿足長效使用的工程應(yīng)用需求。

應(yīng)答器；水下測量；發(fā)射電路；控制電路

0 引言

隨著水聲技術(shù)的發(fā)展，我國海洋科學研究和工程應(yīng)用不斷地向深海、遠?？焖侔l(fā)展，尤其是對水下目標定位的應(yīng)用越來越廣泛。應(yīng)答器常常作為模擬目標，在水下測量、定位與導(dǎo)航等領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用[1]。發(fā)射電路是水聲應(yīng)答器的核心部分，其性能優(yōu)劣直接決定了應(yīng)答器的作用距離與工作時間[2]。此外，因應(yīng)答器的工作地點遠離試驗平臺，為了便于水下布放與回收，要求其體積小、工作時間長、作用距離遠、可遠程實時遙控。

1 應(yīng)答器設(shè)計

應(yīng)答器主要被用來模擬水下運動目標，通過母船發(fā)射的信號，做出相應(yīng)的應(yīng)答，可遠程遙控并長效工作[5-7]。該應(yīng)答器主要由供電模塊、主控模塊、功放模塊、匹配模塊、接收模塊、收發(fā)合置模塊以及收/發(fā)換能器組成。設(shè)備組成框圖如圖1所示。圖1中，I2C為兩線式串行總線(Inter-Integrated Circuit, I2C); CPU為中央處理器(Central Processing Unit, CPU); DC-DC為直流-直流轉(zhuǎn)換器(Direct Current- Direct Current Converter, DC-DC)。

圖1 應(yīng)答器總體設(shè)計框圖

1.1 發(fā)射與匹配電路設(shè)計

發(fā)射電路作為應(yīng)答器的重要組成部分，其性能參數(shù)直接決定了應(yīng)答器的工作性能。發(fā)射電路的主要構(gòu)成是功率放大器。傳統(tǒng)的水聲功率放大器多采用甲乙類或者乙類功放，此類功率放大器的缺點是體積大、效率低、發(fā)熱嚴重，一般不應(yīng)用在水下應(yīng)答器中。

本文選用工作效率較高的推挽式D類功率放大器，采用集成音頻功率放大器TAS5412作為發(fā)射電路的主電路，其具有體積小、效率高、可長時間工作等特點，并結(jié)合換能器的阻抗特性，實現(xiàn)寬帶高效匹配。針對項目需求，應(yīng)答器的主要技術(shù)指標如下：

發(fā)射聲源級：150～180 dB，源級控制精度1 dB；

電源供電：鋰電池供電250 W，輸出電壓24 V；

其中，的單位為W。

本文選用TI公司生產(chǎn)的TAS5412作為發(fā)射電路的主電路。TAS5412是專為音頻功放設(shè)計的單片集成的D類功率放大器，用24 V電源時，在2 Ω負載下，采用并行橋接模式(即將兩通道的輸入、輸出并聯(lián))最大輸出功率可達150 W，在散熱環(huán)境良好的條件下可長時間工作，不僅具有效率高、體積小、散熱快的特點，而且內(nèi)部集成了調(diào)制單元、驅(qū)動單元以及各種保護單元，大大地增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外，TAS5412功放芯片內(nèi)部集成保護電路，本文通過單片機采集其內(nèi)部輸出的工作狀態(tài)信息，完成對發(fā)射電路的狀態(tài)監(jiān)測和保護。發(fā)射電路組成框圖如圖2所示。圖2中，DSP為數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing, DSP)。

TAS5412是一個雙輸入雙輸出的音頻功率放大器，為了滿足發(fā)射聲源級的要求，在設(shè)計時將其輸入、輸出的雙通道進行并聯(lián)，從而提高其輸出功率。同時，在功放輸出與匹配輸入之間增加了一個1:19的變壓器，通過變壓器與電感共同組成的匹配網(wǎng)絡(luò)，使功放的輸出阻抗與換能器的負載阻抗相匹配，以提高發(fā)射機的發(fā)射功率。在散熱方面，結(jié)合應(yīng)答器圓筒外形結(jié)構(gòu)特征，采用熱傳導(dǎo)方式，將鋁質(zhì)散熱塊設(shè)計成鍥形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部采用螺桿收緊斜面，將散熱塊與筒壁、功放芯片緊密貼合，從而達到有效的散熱效果。

圖2 發(fā)射電路組成框圖

1.2 遙控設(shè)計

應(yīng)答器在使用時遠離試驗平臺，通過Labview軟件設(shè)計了遙控操作界面，TI公司TMSF28335板作為應(yīng)答器的主控開發(fā)平臺主要完成的是對發(fā)射電路的信號輸入、狀態(tài)采集，以及遠程操作的參數(shù)控制。應(yīng)答器在工作時通過應(yīng)答器參數(shù)控制界面可完成對發(fā)射機輸入信號的設(shè)置。應(yīng)答器參數(shù)控制界面可完成對已存儲信號的聲源級、信號類型、信號頻率、信號的脈寬以及應(yīng)答器處于應(yīng)答模式狀態(tài)下的延時量進行遠程操作控制。

該應(yīng)答器既可以利用已存儲的信號波形進行應(yīng)答，也可以根據(jù)遙控參數(shù)實時計算信號波形進行應(yīng)答。

由于該應(yīng)答器使用時遠離試驗平臺，而且處于水下，工作時不易觀察監(jiān)控其工作狀態(tài)，為了便于獲取水下應(yīng)答器的工作狀態(tài)，該應(yīng)答器設(shè)計了工作狀態(tài)自檢電路。發(fā)射電路中的功放芯片TAS5412集成了I2C數(shù)據(jù)接口總線模塊，可通過I2C總線將自檢信息下發(fā)，并通過I2C總線將自檢信息狀態(tài)返回到PC機，供操作人員監(jiān)控其水下工作狀態(tài)。

1.3 收發(fā)合置電路設(shè)計

本文中的應(yīng)答器通過收發(fā)合置的換能器來進行信號的應(yīng)答，收發(fā)合置電路如圖3所示，其工作原理如下：

(1) 當需要應(yīng)答器來發(fā)射信號時，功放TAS5412輸出通過變壓器以及匹配網(wǎng)絡(luò)后輸出給換能器，此時二極管D1、D2導(dǎo)通，且將接收機兩端的電壓被鉗位在0.7 V左右，功放經(jīng)匹配輸出后的負載等效于R1、R2串聯(lián)后與換能器并聯(lián)，由于R1、R2串聯(lián)后的阻值遠遠大于換能器的內(nèi)阻，因此，功放的輸出功率基本上都加載在換能器兩端；

(2) 當需要應(yīng)答器接收信號時，此時發(fā)射電路停止工作，二極管D1、D2截止，換能器兩端的負載相當于R1、R2與接收機串聯(lián)，然而接收機的內(nèi)阻遠遠大于(R1+R2)的阻值，因此，換能器接收到的信號大部分加載在接收機兩端。

其中，D3與D4、D5與D6反向并聯(lián)，其作用是可防止發(fā)射信號造成接收機電路的阻塞現(xiàn)象。阻塞現(xiàn)象是當發(fā)射大功率信號時，有少部分信號會通過R1、R2后加載在接收機兩端，而在接收機的輸入端一般會添加隔直電容，這少部分信號將對接收機的隔直電容充電。當發(fā)射脈沖結(jié)束后，隔直電容存儲的電能釋放需要一段時間，放電期間會導(dǎo)致模擬放大器的工作點發(fā)生偏移，嚴重時會使得模擬電路的工作點進入非線性區(qū)，從而導(dǎo)致接收機在這段時間內(nèi)不能正常工作，而二極管D3與D4、D5與D6反向并聯(lián)恰好可以將這部分儲存的信號鉗位在二極管導(dǎo)通的電壓值，使得隔直電容上的能量被限制在有限值上，縮短電量釋放時間，從而有效地阻止接收機阻塞現(xiàn)象的發(fā)生。

圖3 收發(fā)合置電路圖

2 湖試與海試結(jié)果

項目組進行了湖上試驗，將應(yīng)答器的換能器和標準水聽器均吊放于水下30 m處，兩者相距1.5 m，測得應(yīng)答器在同一個輸入信號幅度情況下不同頻率點的聲源級，如圖4所示。

圖4 同一輸入信號幅度，不同頻率下的聲源級

測得應(yīng)答器在不同頻率下的最大聲源級如圖5所示。

圖5 不同頻率下的最大聲源級

為了驗證應(yīng)答器發(fā)射聲源級的線性度，將信號源的幅度按3 dB的步長逐級增加，圖6為應(yīng)答器在某一頻率下，發(fā)射聲源級與輸入信號幅度之間的關(guān)系。

圖6 同一頻率下，發(fā)射聲源級與輸入信號幅度的關(guān)系

以上測量結(jié)果表明，本文設(shè)計的應(yīng)答器在中心頻率處最大聲源級為192 dB，在工作頻帶5 kHz內(nèi)源級不小于183 dB、且工作線性度良好，以上指標結(jié)果滿足項目的應(yīng)用需求。

該應(yīng)答器在湖上試驗后又隨項目參加了海上試驗，試驗結(jié)果表明，該應(yīng)答器在遠離母船工作時，可遠程遙控應(yīng)答，工作長效、穩(wěn)定，布放與回收方便，滿足工程應(yīng)用需求。此外，經(jīng)過多次回收和布放以及惡劣的工作環(huán)境的試驗，其發(fā)射電路工作狀態(tài)依舊穩(wěn)定，使其工程可靠性得到了進一步考核。

3 總結(jié)

應(yīng)答器的發(fā)射電路采用集成的音頻功放，通過設(shè)計外圍濾波電路、采集電路、隔離電路以及單片機狀態(tài)采集監(jiān)測電路等使得發(fā)射電路更加穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了音頻功放向聲吶發(fā)射設(shè)備的轉(zhuǎn)化應(yīng)用。此外，集成音頻功放相較傳統(tǒng)分立器件搭建的功率放大器不僅在穩(wěn)定性和可靠性方面有明顯優(yōu)勢，而且其電路板尺寸縮減近一半，大大地節(jié)省了安裝空間，縮小了其外部尺寸結(jié)構(gòu)。

采用軟件化的界面設(shè)計保證了應(yīng)答器控制電路的操作靈活方便，適用性強，可滿足更廣泛的工程應(yīng)用需求。

本文所設(shè)計應(yīng)答器在自主信號檢測與分析、參數(shù)解算、應(yīng)答波形生成、指令遙控等方面性能穩(wěn)定可靠，可長效工作，布放靈活方便，滿足工程應(yīng)用需求，發(fā)射電路和控制電路在其中得到了充分的驗證。

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Design and implementation of the transmitting and control circuits of underwater acoustic transponder

LIAO Fan, ZHU Dai-zhu, YANG Wen-sheng

(Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

Underwater acoustic transponder usually plays an indispensable role in underwater measurement, positioning and navigation. For the demand of a long-term real-time control underwater acoustic transponder, a set of transmitting and control circuits is designed. The transmitting circuit uses the D-class power amplifier as a main circuit and combines the impedance characteristic of transducer and tuning matching method to achieve high efficient broadband matching, and the working state of the transmitting circuit is monitored by single-chip microcomputer and I2C-to-USB converter. In this way, the transponder can select the stored signal waveform according to the remote control instruction and parameters to respond, and can also calculate the signal waveform in real-time. This transponder is very flexible and easy to control the acoustic source level. The results of lake and sea trials show that the transmitting and control circuits of the transponder are stable and reliable, can meet the needs of long-term engineering application.

transponder; underwater acoustic measurement; transmitter circuit; control circuit

TB565

A

1000-3630(2019)-04-0391-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.04.006

2018-04-09;

2018-05-17

廖帆(1989－), 男, 湖北漢川人, 碩士, 工程師, 研究方向為水聲電子工程。

廖帆,E-mail: 710272057@qq.com