（水声工程专业论文）多通道发射与接收机设计及相位测试算法研究.pdf

哈尔滨t 程r 人学硕+ 学位论文 a b s t r a c t t h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ra r et w oi m p o r t a n tp a r t so fa c t i v es o n a rs y s t e m t h i s p a p e rc o m p l e t e st h ed e s i g no f m u l t i - c h a n n e ls o n a rl r a n s m i t t e ra n dl l w e i v e rb yt a k i n gt h e r e s e a r c h e so ft h es m a l l a p l e r t u r ei m a g es o n a ra n ds i n g l e - b e , a md u a l - f r e q u e n c yu l w a s o n i c f i s hf i n d e ra sb a c k g r o u n d i na d d i t i o n , t h er e s e a r c ha n di 色l l i z a t i o r lo fa t la l g o r i t h mi n p h a s ec o h e r e n c et e s t i n go f m u l t i - c h a n n e lr e c e i v e r i sc o m p l e t e d f i r s tt h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o m p o s i t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co fs o n a rt r a n s m i t t e r a n d as i n g l e - b e a md u a l - f r e q u e n c yu l t r a s o n i cf i s hf i n d e rt r a n s m i t t e ri sd e s i g n e d , i ta d o p t sd c l a s sp o w e ra m p l i f i e rd r i v e nb ym o s f e t a c c o r d i n gt ot h er e a l o m t yp r o b l e mt h a t s q u a r ew a v es t i m u l a t h gr e a c t a n c el o a dw h e nu s i n gp u s h - p u l la m p l i f y i n g , d e t a i l e d d e s c n p t i o ni sg i v e no ft h ep r i n c i p l et h a tg oa g a i n s tt h et r a n s m i t t e rr e l i a b i l i t y , a n dv a r i o u s i m p r o v e m e n tm e a 嘣a l e 舀v c n t h e na4 - c h a n n e li m a g es o n a rt r a n 鲥t t e ri sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h e 呻c 石c a ld e m a n d , i ta d o p t sa b c l a s sp o w e ra m p l i f i e ra n d w o r k su n d e r t h em o d eo f t r a n s f o r m e rc o u p l i n gp u s h - p u l la m p l i f y i n g t h er e c e i v e rd e s i g n e di nt h i sp a p e ri s m a i n l yc o m p o s e do fp r e a m p l i f i e r a n d b a n d - p a s sf i l t e r l o wn o i s ed e s i g no fp r e a m p l i f i e ra n dp h a s ec o h e r e n c ed e s i g na m o n g m u l t i c h a n n e lo fr e c e i v e ra l et h ek e yt e c h n o l o g i e s t h ee l e c t r i c a ln o i s eo fp r e a m p l i f i e r l i m i t si t sa b i l i t yt h a td e t e c t i n gw e a ks i g n a ln a m e l yi th a si n f l u e n c eo nt h es e n s i t i v i 够a n d d y m n i cr a n g eo f r e c e i v e r t h ep h a s ec o h e r e n c ea m o n gm u l t i - c h a n n e li sv e r yi m p o r t a n t b e c a u s ei th a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h es u b s e q u e n ts i g n a lp r o c e s s i n g t h i sp a p e rm a k e s d e t a i l e da n a l y s i st ot h el o wn o i s ed e s i g no fp r e a m p l i f i e ra n dp h a s ec o h e r e n c ed e s i g n a m o n gm u l t i c h a n n e lo f r e c e i v e r i ti sl o wp r e c i s i o n , e a s i l ys u b j e c tt oe n v i r o n m e n tf o rt r a d i t i o n a lm e a s t r e m e n tm e t h o d o fp h a s ed i f f e r e n c e a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nd e n 胡n d t h i sp a p e rp u t s f o r w a r dm e a s u r e m e n to fp h a s ed i f f e r e n c ew i t hd i g i t a ls i g n a lp r o c 础a n di ti sr e a l i z e d o nt h ed a t aa c q u i s i t i o np l a t f o r m t h ep a p e re m p h a s i z e so nt w om e t h o d s ：t h ea d a p t i v e p h a s ee s t i m a t o ra n d t h em e a s u r e m e n to f p h a s ed i f f e l e n c eb a s e do nf o u r i e rt r a n s f o r m 哈尔滨_ t j 程火学硕+ 学付论文 k e yw o r d s ：m u l t i - c h a n n e l ；s o n a rw a m m i a e ns o n a rr e c e i v e r , p h a s ec o h e r e n c et e s t i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性：声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ：辛以军 日期：2 幻争年弓月j 7 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：辛凤军 日期： 砌 年3 月j 1 日 彩 一矿 霜一州 哈尔滨t 程大学硕+ 学传论文 宣l i 一 il i i i i 宣i i i ；i i 宣；宣 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 近年来随着海洋丌发和水下探测技术的发展，高分辨率图像声纳的研究 越来越受到重视。在堤坝、船体、水下建筑物等水下物体的表面探测场合中， 需要可用于水下的成像技术。按照水下成像系统工作机理的不同，国内外一 般将其分为四类：多波束成像系统、侧扫成像系统、声透镜成像系统和合成 孔径成像系统。 多波束成像系统( m b e s ) 以多波束发射、多波束接收或者兼具的方式实 现对空间目标的成像，其一般通过一维基阵获取目标的二维信息，第三维信 息通过声纳载体的运动来获取。这是一种普遍采用的方法，但这种方法成像 效率低、质量差，而且它们的接收基阵一般是具有成千上万通道的平面阵， 利用常规的二维波束形成方法获取目标的空间三维信息，因而成本高、实现 难度大。侧扫成像系统( s b s ) ，其探测方向与船体行进方向垂直，对于船体 下方两侧的探测，其作用与多波束成像系统类似。只不过它所成的图像比多 波束成像系统得到的图像更为细腻，这是它的优势，但它对正下方区域难以 成像。并且，当多个同时到达的空间目标回波出现时即超出了它的空间分辨 能力。声透镜成像系统的工作原理类似于光学透镜，把入射声波聚焦在一个 焦平面上。声透镜的主要优点是不需要进行波束形成，聚焦波束在焦平面上 的任何点都是可用的，其缺点是温度敏感，当温度改变，也就是声速改变， 声透镜即不能聚焦，必须引入聚焦调节功能进行修正。合成孔径成像系统是 基于合成孔径技术的一种新型的成像系统，也是目前水声成像领域研究的热 点之一。它主要借鉴合成孔径雷达的原理，突破基阵孔径和频率的限制，从 而实现远距离高分辨力成像。 基于以上研究背景，本课题提出了对小孔径图像声纳的研究。图1 1 为系 统整体框图，本论文将完成小孔径图像声纳发射机、接收机( 图中发射模块与 接收模块) 的设计与调试，以及接收机相位一致性测试算法的研究与实现。声 纳发射机是主动声纳必不可少的一部分，它起到产生某种特定形式的大功率 电信号的作用，然后通过换能器将电信号转换为声信号辐射到介质( 水体) 中。 哈尔滨：i ：稃大学硕十学位论文 i i i i 宣i i ；i i i i 宣；宣i ；暑i 暑i i ；i i i i i i i i i ；i i i ；i ；i i ；i ；i ；i ；i i 宣；i 。t f 一 -tn 宣j 宣昌 其性能对整个系统的作用距离和工作带宽，以及蓄电池的工作时问有很大的 影响。接收机的任务是对接收换能器阵输出的微弱信号进行放大、滤波等信 号调理工作，低噪声、高灵敏度、低功耗、小体积、通道间幅度相位一致性 是接收机设计的重要技术指标。为了能够科学、合理、精确地测量通道间的 相位一致性，论文将完成接收机的相位一致性测试算法并在数据采集预处理 平台中实现。 g l发射模块险=数据剖信号处理平台 o h o t l i n k c p c i 显水 采集 下 预处 控 基 理平 主 阵 厶 c p c i 卜 机 卜 接收调理模块 今 r n y 图1 1 小孔径图像声纳系统组成 探鱼仪是一种助渔设备，能够准确探测到水下鱼群位置、密度，对鱼群 进行跟踪、定位，因此提高了渔业生产效率，探鱼仪最初出现在二战后的日 本，它的出现使得捕鱼效率、渔获量得到了很大的提升，建国以来，我国的 渔业装备从无到有，取得了长足的进步，但是与世界先进水平相比，在大多 数领域还存在相当的差距，渔船装备的探鱼仪大多是日本和欧洲国家设计。 基于课题组单波束双频超声波探鱼仪的研制，论文将完成其发射机、接收机 的设计。 1 ，2 声纳发射机与接收机简介 为了把电信号转换为声波进而在海洋信道中传播，研制一种高可靠性的 水声发射机非常重要。近年来随着电子技术的迅速发展，新的元器件和电路 结构不断出现。人们对水声发射设备的要求也越来越高。例如：输出功率大、 效率高、体积小、重量轻、工作稳定可靠、结构简单、节省能源、造价成本 低等，其中稳定可靠、效率高是技术的关键1 。 目自订，市场上的功率放大器很多，集成模块也越来越多，小的功率模块 使用起来方便，一般情况下不会出现问题。价格便宜，且易于置换。但对于 大电流，高电压下工作的大功率模块使用时稍有不慎，就会使其性能变坏， 哈尔滨= 1 i 干旱大导：硕+ 学何论文 甚至造成永久性损坏。因此对大的功率放大器最好使用分立元器件，万一发 生故障，可临时排除，或迅速换件继续使用。近几年来，水声发射机的设计 大都采用a b 类、d 类功率放大电路，工作在变压器耦合的双管推挽工作方式， 利用变压器达到阻抗变换目的，使换能器能得到所需的功率，可靠性和效率 都比较高，达到了满意效果。且大大地简化了电路结构，提高了效率，降低 了成本。 d 类( 数字) 功率放大器由于功率转化效率高、散热量低等优点成为目前 研究的热点，并且有取代目前主流的a b 类功放成为主流产品的趋势。虽然d 类功率放大器有诸多优点，但还存在不同于传统功率放大器的缺点非线 性失真，这种非线性失真是阻止d 类功放普遍应用的主要障碍之一。造成d 类功率放大器非线性失真的原因很多，例如：通常设置死区时间来避免上下 功率晶体管同时处于导通状态，由此会带来非线性失真；功放管的导通时间 和二极管恢复时间的有限造成的非线性失真；输出滤波电感与电容的非线性 和电源的波动产生的非线性失真等。要设计一个高保真的d 类功率放大器， 就要尽力把这些非线性失真减到最小，这就需要采用一些新的技术手段来克 服非线性失真的缺点。与传统a b 类放大器相似，d 类放大器可以归类成两种 拓扑，分别是半桥和全桥结构。每种拓扑都各有利弊。简而言之，半桥结构 简单，而全桥在性能上更好一些。因为全桥拓扑需要用到两个半桥功放，所 以需要更多元器件。 a b 类功率放大器电路由于给三极管所加的静态直流偏置电流很小，所以 在没有输入信号时放大器对直流电源的消耗比较小( 比起a 类放大器要小得 多) ，这样具有b 类放大器效率高的优点，同时因加入的偏置电流克服了三极 管的截止区，对信号不存在失真，又具有a 类放大器无非线性失真的优点。 所以，a b 类放大器具有a 类和b 类放大器的优点，同时克服了这两种放大器 的缺点。j 下是由于a b 类放大器无交越失真，又具有输出功率大和效率高的优 点，所以被广泛地应用于功率放大器电路中。 在功率放大器电路中大量采用推挽放大器电路，这种电路中用两只功率 管构成一级放大器电路，两管分别放大输入信号的正半周和负半周，输出的 半周信号在放大器负载上合并后得到一个完整周期的输出信号。由于两管在 不断地交替导通和截止，所以称为推挽放大器。 哈尔滨- ：稃大学硕十! 学位论文 在输出功率不太大的情况下，集成电路功率放大器也有很好的应用。集 成电路功率放大器将前置放大部分和功率放大部分制作在同一芯片中，外围 电路十分简单，调试过程也十分容易。有工作稳定，易于大批量生产，整机 造价低廉，故障率低等优点。但是多数功放芯片内部都带有深度负反馈电路， 瞬念特性不太好，声音的爆发力不大，表现力较弱。水声领域常用在小型的 设备上口1 。另外，由于双极型晶体管要求的驱动电流比较大，还可以将集成 电路功率放大器用作大功率双极型晶体管的推动级。 水声接收机是声纳系统的重要组成部分。由于水声接收机接收到的信号 强度较弱，动态范围大，而且受到各种噪声的干扰，所以目前水声信号接收 机的设计都朝着低噪声、高灵敏度、大动态范围、模块化设计以及采用数字 增益控制的方向发展p 1 。水声接收机( 信号调理部分) 一般由前置放大器、带 通滤波器两部分构成。 低噪声是前置放大器设计的关键指标，一般来讲集成运放的噪声特性不 如分立有源元件的噪声特性，不少前置放大器的低噪声设计都采用了分立元 件的方法。但用集成运放构成的放大器具有结构简单、设计容易、调试方便、 易屏蔽、体积小等优点。随着新型高精度低噪声集成运放进入市场，越来越 多的精密仪器、通信设备采用了集成运放来构成前置放大器。但只有进行正 确设计与合理调试，才能取得较好的噪声特性m 1 。 滤波电路分为有源滤波电路和无源滤波电路。无源滤波电路成本低廉、 但带负载能力差，滤波特性容易受负载影响、体积大。有源滤波电路由于有 许多优点而得到广泛应用。例如：无须阻抗匹配；受环境条件( 如机械振动、 温度、湿度) 的影n l ；j d , ：受电磁干扰的影响小；由于采用集成电路，可避免各 滤波节之间的负载效应而使滤波器的设计和计算大大简化；在实现滤波的同 时，可以得到一定的增益。有源滤波电路又分为两种结构形式，一种是采用 集成运放和r c 电路组合而成：另一种是采用单片集成的滤波芯片结合一些 外围器件设计的电路。第一种方式由于使用了集成运放，使得该滤波电路提 高了带内的放大倍数和带负载能力，但是由于元器件较多，调试较复杂，要 想保证通道问的一致性，必须严格挑选外围阻容器件。第二种方式由于滤波 器芯片内部集成了运放、高精密电容、电阻，所以可以做得很稳定。但由于 集成滤波器芯片噪声和功耗较高，在高密度电路板中容易发热，且在高频段 4 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 时滤波特性不好。所以由集成运放和r c 电路构成的有源滤波器在很多领域 得到了广泛应用。 相位差测量在很多应用领域中具有重要意义。传统的电子模拟式相位差 测量采用乘法器法、二极管鉴相法等原理，由硬件电路完成。在硬件电路中， 电路的温漂、噪声及干扰信号的影响都会导致测量结果产生误差。随着信号 处理d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 芯片技术的发展，其强大的运算功能为我 们利用数字的方法进行相位测量提供了保障p q 。这种数字式相位计精度高、 稳定性好、实现方便。基于d s p 技术的数字式相位计的实现方法有很多，例 如基于函数计算的测量方法，基于傅立叶变换的测量方法，基于自适应滤波 的相位测量方法等。 1 3 论文的主要研究内容 本文以小孔径图像声纳、单波束双频超声波探鱼仪的研制为背景，完成 多通道声纳发射机、接收机的设计及接收机相位一致性测试算法的研究与实 现。特别提及的是，本文设计的接收机只包括前端的信号调理部分，不涉及 信号采集与处理部分。论文具体内容包括： ( 1 ) 完成一个4 通道小孔径图像声纳发射机及个单波束双频超声波探 鱼仪发射机的设计，对发射机的可靠性设计进行讨论并给出解决方案。 ( 2 ) 完成一个4 8 通道图像声纳接收机的设计及一个单波束双频超声波探 鱼仪接收机的设计，重点讨论接收机的低噪声设计、通道间相位一致性设计。 ( 3 ) 多通道接收机相位一致性测试算法的研究与实现。基于多通道接收 机相位一致性的调试需求，论文采用基于数字信号处理的相位一致性测试算 法并在数据采集预处理平台上实现。 哈尔滨t 程火学硕七学何论文 第2 章声纳发射机的设计 2 1 声纳发射机组成及主要技术指标 2 1 1 声纳发射机的组成 声纳发射机是主动声纳的主要组成部分之一，其功能是产生特定频率、 特定调制方式及脉冲长度等的大功率电信号，然后经匹配网络、换能器将电 信号能量转换成声信号能量辐射到水介质中去f 1 。其性能对整个系统的作用 距离和工作带宽，以及蓄电池的工作时间有很大的影响。 图2 1 声纳发射机组成 声纳发射机的基本组成如图2 1 ，主要包括以下几部分：( 1 ) 波形发生器， 它的作用是产生一定形式的波形信号，其工作频率、脉冲长度、重复周期都 可以选择。( 2 ) 功率放大器，由波形发生器产生的信号功率很小，不能够直接 驱动换能器向水中辐射足够的声波能量，所以必须进行功率放大。( 3 ) 阻抗匹 配电路，在水声设备中应用最多的换能器有磁致伸缩换能器和压电陶瓷换能 器。它们在机械谐振时呈感性阻抗或容性阻抗。为了提高转换效率，必须要 提高负载的品质因素，这就要求对负载进行匹配。( 4 ) 收发转换丌关，当发射 机和接收机共同使用一个换能器( 基阵) 时，为了防止发射的大功率信号进入 接收机而损坏接收机或造成接收机电路的阻塞现象，必须采用收发转换开关。 2 1 2 声纳发射机的主要技术指标 ( 1 ) 电脉冲功率p 电脉冲功率是声纳发射机的一个极其重要的指标，它对声纳的最大有效 作用距离有很大影响，它是指发射脉冲持续时间内发射机消耗的平均功率。 通常用公式 6 哈尔滨丁样火学硕十学位论文 p 专鲁 亿- ， 来表示。其中u 。是发射机输出的峰值电压，r 是发射换能器辐射电阻。可根 据主动声纳方程： s l 一2 t l + t s 一( n l d i ) = d t ( 2 - 2 ) 求得所需的发射声源级s l ( o d b = l 肛p a ) ，声纳发射机的电脉冲功率p 便可根据 公式： s l = 17 0 8 + 10 1 0 9 p + l o g e + d i ( 2 3 ) 来估算。其中e 为换能器电声转换效率；d i 为空间指向性指数。 ( 2 ) 发射机平均功率匕 平均功率是指发射机在一个脉冲周期内的平均功率。它的大小决定着发 射机元器件的发热程度( 功耗) ，以及电源为发射机提供的功率要求。它可以 通过以下表达式来计算 乙= l ，p ( 2 - 4 ) 其中，f 为脉冲宽度，t 为发射周期，发射机平均功率匕越小，器件的功耗 也越小。这就有可能使得工作在脉冲调制方式下的声纳发射机在消耗较小的 电源功率的情况下，输出很大的电脉冲功率。一般采用较小功率的电源连续 向储能元件补充能量( 充电) 的方法来为发射机提供很大的电脉冲功率。 2 2 水声功率放大器的特点与分类 2 2 1 水声功率放大器的特点 在声纳发射机中，功率放大器推动换能器向水中辐射能量，其性能对声 纳设备的作用距离有很大影响。水声功率放大电路具有以下特点： ( 1 ) 输出功率要足够大，输出电阻要小。功率放大器能够在大电压输出 的同时输出足够大的电流，以满足对输出功率的要求，因此，功率放大器的 输出电阻要小，以便给负载提供足够的功率。 ( 2 ) 具有较高的效率。功率放大器的效率指输出功率同功率放大器从电 源获得的功率的比值。效率越高，消耗在电路上的无用功率越小，电能被高 效的转换为声能辐射到介质中。 7 哈尔滨t 程火学硕十学位论文 ( 3 ) 非线性失真要小。功率放大器的功放管处于大信号工作状态，由于 晶体管本身的非线性，在大信号下工作时会产生严重的非线性失真。为了确 保输出功率信号的波形不致产生严重的变形，必须把非线性失真限制在允许 的范围之内。 ( 4 ) 要考虑散热问题。功率放大器的实质是能量转换装置，即把电源的 能量转换为信号的能量。功率放大器的效率总是小于1 的，多余的能量要转 换为热能，消耗在功率放大器( 大部分是功放管和变压器) 上，引起电路温度 的升高。这会使一些对温度敏感的电子元件( 如功放管、变压器) 的工作状态 改变，影响放大器的性能，严重时还会烧毁电子元件。所以功率放大器对散 热的要求是比较高的b 1 。 2 2 2 功率放大器的分类 根据功放管的工作状态不同，功率放大器可以分为a 类、b 类、a b 类、 d 类等。a 类放大器的功放管在信号作用的全部时间内都处在导通状态，功 放管始终有电流流过，即导通角q = 3 6 0 。b 类放大器功放管的导通角q = 1 8 0 。，功放管只有半个周期有电流流过。这种状态下只能放大正半周的信号， 所以常用两只功放管分别放大正、负半周的信号，然后再把它们合成起来， 这种电路形式叫做“推挽放大”。由于功放管截止区的作用，靠近零点的小幅 值信号将不能被放大，产生交越失真。a b 类放大器解决了交越失真带来的 问题。a b 类放大器功放管的导通角略大于1 8 0 。，在没有信号时候，有微小 的电流流过功放管。d 类放大器的功放管工作在开关状态。由于晶体管饱和 区的压降很小，所以功率转换效率很高，理论上接近l 。a b 类功放和d 类 功放由于其高效率而得到广泛的应用。 表2 1 几种功放比较 类型导通角9理论效率 特点 a 类 3 6 0 05 0 不适合大功率麻川 b 类 1 8 0 0 7 8 推挽或全桥 a b 类 18 0 0 0 ，r t ，诈 r l 巾，由于串联匹配的电感值小于并联匹配， 所以使用串联调谐方式有助于减小匹配电感的体积和重量；另一方面，由于 串联匹配的等效负载电阻小于并联匹配情况，由式( 2 1 4 ) 可知，在输出功率 一定的情况下，较小的电阻对应的输出电压较小，所以使用串联匹配形式有 助于减小输出变压器的体积和重量。设计中选择串联匹配形式，换能器在 2 0 0 k h z 处的电导g = 1 3 4 2 4 8 5 m s ，电纳b t = 3 2 7 9 6 5 6 m s ，由式( 2 1 0 ) 、( 2 1 2 ) 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 计算可得： 铲瓦1 石蕊b e = 2 0 7 x 1 0 6 日 ( 2 - 1 5 ) r i 串2 召t - + r l b ；2 1 咖9 9 q ( 2 - 1 6 ) ( 4 ) 变压器设计 图2 2 中t r a n s 为初级绕组带有中心抽头的输出变压器，它在使两管的 输出半波得以正确的合成的同时，起到放大电压信号和负载阻值匹配的作用。 使得负载阻值远大于信号源内阻，这样电源能量绝大部分消耗在负载上( 推动 换能器工作) ，而非浪费在功放管上。 换能器的等效串联阻值为墨帛= 1 0 6 8 9 9 3 ，设其经过变压器阻值变换后的 阻值为尺：。前面计算已得到发射机发射峰值功率时通过功率管的电流 l 。= 2 2 a ，此时加到变压器初级线圈上的峰值电压= v c c 一，要使得 负载获得峰值功率，须满足圪。= k 砭，则有： 尺：= 鳖：鉴竺：k ：2 0 4 6 f f 2( 2 1 7 ) “ j 7 嘣j 。缸 由此可求得变压器变比为： 肚璧= 藤卵 ( 2 - 8 ， 一般来说，变压器初级线圈的阻抗要远远大于功率管的等效导通阻抗才 能使能量传递到换能器上而不是消耗在功率管自身上，大功率的场合一般都 取1 旺2 0 倍。功率管的导通阻抗为0 0 8 5q ，比值选2 0 ，即w l 2 0 o 0 8 5 ， 所以，l 1 3 5 1 0 - 6 h 。 变压器由线圈、导磁材料和骨架绕制而成，电路中选用一锰锌铁氧体磁 罐型磁芯，罐型导磁材料具有导磁面积大，漏磁小等特点，常用于水声发射 机。锰锌铁氧体磁芯具有高磁导率和高磁通密度的特点，且在低于1 m h z 的 频率时，具有较低损耗的特性。由于其磁通密度比较大，初级线圈匝数大约 缠1 2 圈即可满足要求，采用z 型绕法可减小层间的电容。 1 4 哈尔滨t 群火学硕士学何论文 宣i i ；i i ；i i ；i ；i ；i i i 葺暑暑；i 暑i i 昌；i ；i i i i i i ；-i_ - - - i i i 宣；宣i i i ；i ；宣 ( 5 ) m o s 管驱动电路设计 由于m o s 管具有较大的输入结电容( 栅极结电容) ，当输入信号为方波 时，在该方波信号的上升沿或下降沿输入信号就会对结电容充电或者结电容 会放电，所以会导致原信号陡峭的上升沿、下降沿变得疏缓，进而会对功放 管的导通时间产生很大影响。如果用一个较大的充电电流对该结电容充电， 那么充电时间就会大大缩短，其产生的影响便可忽略。 实际的电路中，激励信号来自于f p g a 给出的方波信号，它能提供的最 大驱动电流为2 0 m a ，不能满足要求，所以在其前端加一级m o s 管驱动器 m i c 4 4 2 4 ，m i c 4 4 2 4 是m i c r e l 公司生产的大电流m o s f e t 驱动芯片。它 的最大输出电流可达到3 a ，具有低输出阻抗、高输出电流、快速的开关时间， 适用于驱动多种负载( 感性、阻性、容性) 。 ( 6 ) 收发转换 当发射机和接收机共有一个换能器( 基阵) 时，必须采用收发转换装置。 它在电路中起到以下两个作用p 1 ： 幻防止发射机在发射大功率信号时，该信号进入接收机的输入端造成接 收机器件的损坏。当发射机发射信号时，收发转换开关使接收机可靠地短路， 信号发射完毕，又将接收机转为接收状态。 b ) 防止发射信号造成接收机电路的阻塞现象。所谓的阻塞现象是由于在 很高的发射信号电压通过接收机输入端的隔直流电容时对该电容充电。当发 射脉冲结束后，电容储存的电能释放需要很长一段时间。在这段时间内，这 个耦合电容的电位会使模拟放大器的工作点发生偏移，严重时会使模拟电路 的工作点进入非线性区，从而造成接收机在这段时间内不能正常地将信号进 行放大、滤波。 收发转换装置的任务是由图2 5 中的两组二极管来完成的。当换能器处 于发射状态时，由于发射信号较大，二极管d 1 、d 2 、d 3 、d 4 导通，进入接 收机的信号被箝位在0 7 v 左右，接收机电路被有效的保护：当换能器处于接 收状态时，由于接收信号很小，二极管d 1 、d 2 、d 3 、d 4 均不导通，即相当 于断路，换能器接收到的信号通过电阻r 进入接收机。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 图2 5 收发转换开关 2 3 3 可靠性设计 ( 1 ) 不利于电路工作的情况 由于d 类功放采用方波激励，对于电抗性负载时会带来不利于电路安全 工作的问题，即在m o s 管漏极会出现极大的尖峰脉冲，剖析其原理如下： c 图2 6 一l ( d i d t ) 示意图 图2 7c ( d v 出) 示意图 如图2 6 所示，当开关管g 由导通变为截止时，由于感性元件两端的电 流不能突变，即电感线圈和变压器的漏感会在m o s 管两端产生电压脉冲 一l ( d i 西) ，该脉冲电压很大，可能对m o s 管造成损坏。当开关管g 接通时， 如图2 7 所示，由于电容两端的电压不能突变，储存在开关管g 的寄生电容 c 的电荷c ( a v d t ) 要以脉冲的形式通过开关放电。特别应该注意此时内部集 成的二极管反偏截止，但由于放电脉冲构成的逆向电流，将使正处于反向恢 复过程的二极管两端( 即m o s 管漏极) 出现很大的尖峰。 图2 8 为m o s 管的等效电路图引，由以上分析在m o s 管漏极会产生很 大的尖峰脉冲电压，此电压会通过电容耦合到栅极，由于c 。一般远小于 1 6 哈尔滨丁程犬学硕十学何论文 图2 8m o s 管的等效电路 ，因此在栅极上根据c 二、的分压将得到很大的电压 = 圪c 0 ( + ) 由于栅源的绝缘层很薄，如果所加电压超过一定的 值将使栅极发生介电击穿。 由实测波形可知，这种漏极的脉冲电压远远超过电源电压，所以耦合到 栅极的正负压降将导致m o s 管的永久性损坏。在实际调试中发现在空载和 单边激励两种条件下经常导致功放管烧毁的故障。这是因为：a ) 由于换能器 是容性负载，所以变压器次级存在的电容将使得d i d t 变小，同样栅极的 西坊也变小，因此正负尖峰的幅度也会降低，可见空载比有负载更不利于 电路的安全工作。b ) 实际测试表明，单边激励即只有一只管子导通时，由于 变压器线圈两端电流不能突变，加在没有工作的那只管子漏极的负脉冲电压 会更高，所以没有工作的那只管子更容易损坏。 ( 2 ) 解决方案 拶】 i 。? 、 函 ilud5一)、 能3 咖 1 4 0 v 。由于发射信号频率较高( 厶= 1 6 7 抛) ，要求三极管的 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 电流放大系数较大，由三极管工作特性曲线选择其特征频率应大于1 5 0 m h z 。 本设计选择2 s c 2 6 9 0 三极管作为功放管。其主要指标如下”： a ) 特征频率：厅= 1 7 5 m h z b ) 最大集电极电流：厶m 似) = 1 2 a l 肿胁) = 2 5 a c ) 最大集电极耗散功率：最m = 2 0 w d ) 集电极饱和e l g ；n - k 也( 删) 。= 0 7 v e ) 基极开路时集电极一发射极间的反向击穿电压：致脚= 1 6 0 v f ) 发射极丌路时集电极- 基极间的反向击穿电压：阢脚= 1 6 0 v g ) 集电极丌路时发射极- 基极间的反向击穿电压：u 脚= 1 6 0 v 由以上这些指标可以看出，晶体管2 s c 2 6 9 0 a 完全可满足设计要求。 ( 3 ) 变压器的制作 a ) 匝数比计算 如前所述，变压器在使两三极管的输出半波得以正确合成的同时，起到 放大电压信号和负载阻值匹配的作用。通过阻值匹配使电源能量绝大部分传 输到负载上而功率管消耗能量很少，即提高发射机效率。实测发射换能器阵 各基元经匹配后阻值r l o o f 2 ，设输出变压器的效率为7 7 = 9 0 ，所以实际 发射电功率 出 可得负载峰值电压： 所以可得变压器的匝数比： b ) 初级电感量计算 d 尸= 二- = 4 5 w ( 2 2 0 ) 7 7 p ：堡 2 尺 广_ u m = 2 r 尸= 9 5 v ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ， n = 芝丢一2 ( 2 2 3 ) v c c k w f 删1 。缸 2 i 哈尔溟t 样入学硕七学何论文 变压器励磁电感是指变压器次级- 丌路时从初级测得的电感，激磁电感通 过激磁电流提供能量传输条件，不参加能量传输，即提供空载电压的磁芯中 的那部分磁通。所以我们在设计变压器时要选用磁导率尽量大的磁芯，这样可 以减少对应这部分磁通的磁场强度，也就是减少激磁电流值。初级电感量过小 会导致厉磁电流过大，增加变压器的损耗，使变压器发热，变压器温度升高 会引起饱和磁通的降低，降低变压器效率。设计中变压器的初级电感量应满 足： w l 初2 0 r c e ( 2 2 4 ) 式中，心。为三极管的等效导通电阻，由式( 2 一1 9 ) 可知三极管的最大集电极 电流厶m2 1 9 a ，而三极管2 s c 2 6 9 0 a 的集电极饱和电压( 蛾) = 0 7 v 。所以： 如= 等堕= 0 3 7 f 2 ( 2 2 5 ) i c m 讲争= 等= 7 3 3 1 0 - 6 h ( 2 2 6 ) 变压器采用锰锌铁氧体瓷罐制作，锰锌铁氧体具有高磁导率和高磁通 密度的特点，且在低于1 m h z 的频率时，具有较低损耗的特性。 ( 4 ) 储能电容设计 由于发射机采用脉冲发送方式，在脉冲持续时间内，电源需提供短时间 大电流；而在脉冲持续时间外，发射机不工作，电源不需要提供电流。为了 减小对电源功率的要求，可以通过用大电容组与电源并联的方式来加大发射 电流。当发射机不工作时，4 8 v 直流电源对电容充电，发射机工作的短时间 内，电容放电给电路提供能量。设储能电容为c ，发射最大脉宽气缸= l m s ， 可接受的最低电源电压为o 9 宰u ，u = 4 8 v 为电源电压。则有： 去c ( u 2 一( o 9 u ) 2 ) p 。 ( 2 2 7 ) 计算可得： c 2 0 6 p f ( 2 - 2 8 ) 堕玺鋈。三垒奎耋堡圭= 兰玺苫 2 4 3 测试 图21 2 ( a ) 所示为发射机的输入信号( 加到图21 1 中的i n p 、i n n 两端) 即相位差为1 8 0 度的c w 脉冲，图2 1 2 ( b ) 为实测的发射机输出波形。 n k 忆 hp o _ 5 00 0 5 ( a ) m2 50 u s 嘞 图2 1 2 发射机输入输出波形 为了验证储能电容的大小能否满足发射要求，论文测试了当发射功率为 峰值功率，发射脉宽分别为0 5 m s ，l m s 时的发射机输出波形( 图2 1 3 ) 。由 图可知，在信号持续时间内信号峰值衰减小于1 0 ，储能电容大小可以满足 设计要求。 t e kn 。 “o 也 ”1 ”“ 图21 3 发射脉宽分别为0 5 m s 、l m s 时的发射机输出波形 2 5 本章小结 本章首先介绍了水声功率放大器的分类与特点，其中a b 类功放和d 类 功放出于其高效率高而得到广泛的应用。在此基础上，论文设计完成了单波 束双频超声波探鱼仪发射机的设计，该发射机采用m o s 管驱动的d 类功率 2 3 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 放大电路，利用方波驱动，具有发射功率大、效率高、功率控制方便等优点。 推挽放大电路在采用方波驱动电抗性负载时会出现不利于m o s 管安全工作 的问题，论文详细分析了不利于发射机可靠工作的原理与情况，并提出了在 电路上的各种改进措施，从而避免了因空载、单边激励等原因对功率器件的 损坏。接下来论文完成了一个4 通道小孔径图像声纳发射机的设计，综合考 虑发射效率、非线性失真、电路散热等指标，该发射机功率放大器选择了a b 类推挽放大的电路结构。功率管选择高频三极管，工作在线性区域，相对于 采用m o s 管的d 类功放发射效率非线性失真小、但效率略低。 2 4 哈尔滨- t 程大学硕十学位论文 第3 章声纳接收机的设计 3 1 声纳接收机的组成及主要技术指标 3 1 1 声纳接收机的组成 声纳接收机的任务是接收和处理来自接收基阵的信号，从广义的角度而 言，一部声纳接收机是完成包括对接收信