【《水下定位信标发射机硬件设计案例》7800字】

水下定位信标发射机硬件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u29891水下定位信标发射机硬件设计案例 1288631.1水声发射机概述 185151.1.1设计水声发射机注意事项 1179811.1.2水声发射机的组成 220261.1.3水声发射机的技术指标 2298291.1.4水声发射机的发射信号 339661.2信号源电路设计与仿真 6315231.3功放电路设计与仿真 896561.1.1PWM调制原理及实现 10132791.1.2死区电路设计与仿真 1472691.1.3驱动电路的设计与仿真 15132701.1.4功率输出级电路的设计与仿真 171.1水声发射机概述1.1.1设计水声发射机注意事项水声发射机的工作原理与无线电发射机没有太大区别，但由于它们使用的传播介质不同，其工作负载和工作频率也不同，在设计时水声发射机时要考虑的因素比较多，总的来说，有以下几个方面：(1)大部分水声发射机都处于脉冲信号的工作状态。工作时，发射机足以产生具有一定重复周期时间、脉冲宽度和脉冲功率的电信号，并将该信号加载到水声换能器上来，水声换能器将电能转化为声能发射到水体中。(2)水声换能器水声发射机的负载负责将电信号转换成声信号，水声换能器的主要参数反映了负载的特性，也决定了水声换能器的电声转换效率。为了更好的提升输出信号工作电压与电流之间的品质因数，水声发射机输出端与负载之间必须进行特性阻抗匹配。这样容易获得更大的输出功率输出，并能防止对功放电路元件的破坏；(3)水声设备常常工作于恶劣的环境中，为了更好地使水声设备的研发达到其战略和性能指标，一方面要考虑到电子设备应用的稳定性和可靠性，另一方面要尽量使得工作频率和信号调制方式能够满足在线可编程的要求。1.1.2水声发射机的组成水声发射机主要由四部分组成。第一部分是信号发生电路，主要用于产生某种形式的波形信号，该信号可以是单频脉冲调制波、调频脉冲调制波或其他信号波形；第二部分是功放电路，由信号产生电路产生的信号强度小，如果直接使其驱动换能器，在水中就无法发出具有足够能量的声波信号，工程应用中必须进行功率放大；第三部分是换能器匹配电路，负责功率放大器与换能器之间的阻抗匹配，提高转换效率，避免放大电路烧坏，；第四部分是水声发射换能器，将电信号转换为机械震动的声信号，然后将声信号辐射到水中。一般根据工程需要定制或订购。图1.2水声发射机的组成结构1.1.3水声发射机的技术指标水声发射机的主要技术指标有脉冲重复周期、脉冲宽度、声源级等。1)脉冲重复周期T最大作用距离rmax决定水声发射机的脉冲重复周期，水声发射机的脉冲重复周期可以由公式(1.1)来计算：T≥2rmax/C（1.1）式中c是声波在水中的传播速度，在淡水中，c的取值是1500m/s。2)脉冲宽度t脉冲宽度应考虑rmin与△r等因素。从rmin考虑，脉冲宽度τ应该满足公式(1.2)τ≤2rmin/C(1.2)从△r考虑，脉冲宽度τ应该满足公式(1.3)：τ≤2△r/C（1.3）式中rmin为最小作用距离；△r为目标距离分辨率。在满足最小作用距离与距离分辨率的情况下，可以通过适当增加脉冲宽度τ，增加作用距离。3)声源级SL

发射声源级是指在声轴上距离声源1m处声源的强度与参考强度之比的分贝数，可以由公式(1.4)来计算：SL=10lg（声源强度/μPa）（1.4）水声发射机的声源级主要取决于换能器的轴向声功率，它与加到水声换能器上的电功率P、水声换能器的电声转换效率η和发射指向性指数或聚集系数DIT，的关系如(1.5)所示SL=171.5+101g(ηP)+DIT

(1.5)1.1.4水声发射机的发射信号了解CW信号、FM信号、LFM信号等基础信号是对水声发射机进行帧结构设计的基础。FM(FrequencyModulation)信号是调频信号，又称为角度调制信号，即载波频率随着调制信号幅度而变化的信号。与调幅信号相比，FM信号是以牺牲一定的带宽为代价产生的。在这种情况下，几乎可以获得无干扰的接收，广泛应用于广播电视音频信号和高保真广播。以及各种双向无线电通信系统。调频信号表达式如下：SFM（t）=Acos[wct+Kfmτd(其中m(t)为调制信号；A为载波信号幅度；wc为载波信号频率；Kf是调频灵敏度，单位为：rad/(s*V)。当m(t)为单频正弦波，即m(t)=Amcoswmt=Amcos2πfmt(1.7)频率调制后的FM信号为：SFM(t)=Acos[wct+KfAmcosWmCW（ContinueWave）信号是连续波信号，是指频率和幅度固定的信号。你平时看到的连续波一般是正弦波的表现形式，区别于常用的FM和AM信号，CW信号不是利用信号随着时间变化的频率或者信号随着时间变化的幅度来传输信号的。而是通过信号的存在或不存在来传输信号。CW信号在电气和电子工程领域非常重要。根据傅立叶级数理论，任何周期信号都可以用不同频率的简单的正弦和余弦信号表示。因此一个复杂的信号可以分解成简单的正弦和余弦信号，便于数学分析，简单易用，广泛应用于电气和电子分析领域。理论上，CW信号没有带宽，这是因为他的所有能量都聚集在一个频率上。因此，它不会干扰其他频率的传输，并且在背景噪声中，也可以很容易地检测到CW信号。一般来说，CW信号随时间变化的表达式如下：S（t）=Asin(2πft+Ψ)=Asin(Wt+Ψ)(1.9)其中A为信号的幅度；f为信号的频率，W为信号的角频率，Ψ表示初始相位。LFM（LinearFrequencyModulation）信号是线性频率调制信号。频率在时间区间内连续线性变化，因为它的频谱带宽落在可听范围内，声音听起来像是鸟叫声，故又称为Chirp信号。根据线性变化方式的不同，频率在持续时间内线性增加的被称为上扫频Chirp信号，相反，在持续时间内线性下降的称为下扫频Chirp信号。LFM信号广泛应用于雷达和声纳领域，在处理回波定位系统中非常有用。不仅经常用作水声定位信号的同步头，还可以应用于通信系统中的扩频等技术。1）水声定位信标信号的数据帧结构：由于水声信道复杂的特性，信息在传输过程中会受到严重干扰和丢失。因此发射信号，除了信息信号之外，还必须包括一定长度的训练信号，主要包括时间同步训练信号和频率同步训练信号两部分。下表为水声定位信标信号的数据帧结构：表1.1水声信号数据帧结构水声信号信号帧结构时间同步训练信号时间同步训练信号信息序列其中，信息序列需要结合应用场景设计，本文基于水下GPS定位系统设计，因此设计数据时候应该包括以下部分：传感器参数，ID、CRC校验码(CyclicRedundancyCheck)等。传感器参数应该主要包含：GPS信号，基元标号等。GPS信号为GPS模块通过ACSII格式发送的数据信息，包括经度、纬度、高度、时间等参数，根据本次设计，我们选用了经度、纬度、时间三个参数进行传输。经纬度的选用格式详见第四章GPS模块部分介绍。ID部分设计是为了给不同的声信标加上唯一的标识符，利于接收机进行识别。CRC循环冗余校验，常用的数据信息差错检验码，可以检查数据在传输过程中的正确性和完整性。2）调制方式介绍与模拟调制相比，数字调制方法抗干扰性强、易于集成和数字信号处理，被广泛应用于水声通信系统。现有的传统数字调制方法包括：幅移键控（ASK）、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)以及从它们派生的其他调制方法。幅移键控是通过依据信号的幅度大小来表示二进制数据，即用两种不同水平的幅度分别表示二进制的0和1。接收端将接收到的信号分成几个时间段，时间段的长度称为符号周期。然后在符号周期内对信号进行采样，确定信号的幅度大小，然后根据幅度大小确定接收到的二进制值。因为在信号的传输过程中，信道中的噪声会影响信号的幅度，如果噪声干扰较大，就会引起接收端对接收到的信号判断错误。频移键控是通过信号的频率变化来表示所需要传输的二进制数据0和1的，即用两个不同的频率分别表示0和1，接收端在符号周期内对信号进行采样以确定信号的频率大小，并根据频率大小确定接收到的二进制值。因为频移键控需要采用不同频率的信号作为载波，且不同频率的载波信号在水声信道中的传播损耗是不同的。需要更昂贵的成本来支持信息传输，因此频移键控不适用于水声通信。相移键控通过信号的相位变化来表示所需要传输的二进制数据0和1。它使用两种不同的相位表示二进制数据。接收端在符号周期内对信号进行采样来确定信号的相位，并根据相位变化来确定接收到的二进制值。以每个符号周期的起始点为参考点，将相位发生变化的定为二进制1，将未发生变化的相位解析为二进制0。在幅移键控中，MASK调制方法是一种相对高效的传输方式，但是由于其存在着抗噪声能力差的缺点，限制了在水声通信中的应用。当M=2时，为二进制振幅键控（2ASK），是其最简单的形式。在2ASK中，载波传输时而开启时而关闭，因此2ASK也称为OOK信号（OnOffKeying）。经过对比比较，我们可以选用开关键控(OOK)的方式进行调制。OOK调制方法可以减小码间干扰的产生。“0”码元的时间作为“1”码元的载波信号的保护间隔。虽然这种方法通信速率较低，但是可以降低发射设备的复杂性，满足基本系统需求。1.2信号源电路设计与仿真信号发生器是减小发射机体积和重量的重要途径之一，而信号发生器是产生数据的部分，对数据的分析和处理非常重要。对信号发生器的要求不仅需要其产生的信号要具有良好的准确性和稳定性，还需要考虑能耗和数据生成效率。现在，有两种主要的信号生成方法，模拟方法和数字方法。在二十世纪七八十年代，信号的产生方式主要是模拟的，即通过电阻、电容、电感等元件形成振荡电路，产生正弦信号或任何其他形式的信号，信号频率的变化主要取决于各类器件。这可以通过机械驱动电容、电感等来实现。八十年代后，随着技术的飞速发展，数字信号发生器逐渐成为主流。数字电路凭借着便携、可编程、频率变化范围广等特点得到了迅速的发展。DDS（DirectDigitalSynthesizer）是一种直接数字频率合成器。DDS具有体积小、重量轻、功耗低、频率分辨率高、变频速度快等一系列的优点。随着数字电路技术的发展，该技术在电信和电子仪器领域中被广泛引用。它的主要缺点是引入了相位截断误差。由于相位寄存器中的位数较多，波形存储器的位数是有限的，在实际操作中，常常忽略相位控制字的低位，只使用高位作为地址去寻址波形寄存器，导致周期性的相位截断错误。虽然可以通过增加波形存储器的位数来减小相位截断误差，但这会受到设备存储内存的限制。因此，通常可以对存储的数据进行压缩，来增加数据的寻址位，减小截断误差。DDS电路一般可以分为五个部分，分别为参考时钟、波形存储器、低通滤波器（LPF）、D/A转换器（DAC）和相位累加器。如下图是DDS原理框图：图1.3DDS原理图中K为频率控制字，决定了相位累加的步长；P是相位控制字，控制相位偏差；fc指的是参考时钟的频率，决定了相位累加的频率；N是相位累加器的位数，M是波形存储器的位数。当参考时钟每产生一个单一的fc脉冲，寄存器值增加K，然后相位寄存器值与相位控制字P相加得到相位码，相位码对应的是波形存储器的地址值，并且使波形存储器相应的输出对应的幅度值根据DAC控制模块输出阶跃波再经过LPF控制模块滤波后，最终输出所需频率的平滑连续波。根据课题要求，要用仿真软件设计出水声定位信标发射机的功放部分，故采用用multisim进行仿真，采用模拟的方式产生信号，图1.3为设计的信号源电路，图1.4图1.3的仿真输出结果图1.4信号源电路图1.5信号源电路仿真结果1.3功放电路设计与仿真根据水声定位发射机的特点，水声功率放大器应该具有以下特点：1)输出功率大，输出阻抗小。功放输出大电压的同时也可以输出大电流来满足输出功率要求，功率放大器的输出阻抗很小，可以给负载提供足够的功率；2)具有较高的转换效率。功放的转换效率是指输出功率与电源供给功放的功率之比。转换效率越高，无用的功耗越少，电能就可以高效转化为声能，向水中发出辐射；3)非线性失真小。功放的功放管往往处于大信号工作状态，因为晶体管管本身是非线性的，在大信号下工作会产生严重的非线性失真。因为这个原因为保证功率输出信号波形不严重失真，必须将非线性失真限制在一定限度内。4)考虑散热问题。功放能够把电源的能量转换为水声信号的能量，功放效率小于1，多余的功率转换成了热能，这会导致电路发热，导致像功放管、变压器这类的温度敏感元件改变工作状态从而会影响放大器的性能，严重时甚至还会烧毁电子元件。因此功放对散热的要求比较高。功率放大器在工程上一般分为A类、B类、AB类、D类等，其各有各的特点。其中前三类放大器属于线性功率放大器，D类功率放大器为非线性功率放大器。1）A类功率放大器具有良好的线性特性，失真最小，但是其输出级一直有偏置电流流过，效率低下，理论上功率转换效率低于50%，且不适合用于水声发射机；2）B类对小信号进行功率放大时，不需要直流偏置，采用两个输出功率管轮流进行工作，推挽输出，效率得到很大提升，理论上转换效率在78%以下，当信号接近零时，经常会产生交越失真现象，因此水声发射机也很少采用B类；3）AB类功率放大器在低频方面有卓越的线性表现，是A类和B类两类功率放大器的中和，将直流偏置电压加在在两个输出管上，能够很好的解决B类功放交越失真现象，又相比于A类功放提高了效率，其功率转换效率为70%左右。4）D类功率放大器输出功率管工作在通断状态。因为功率管导通时的压降很小，损耗很低，电源压降集中在负载上，这使得D类功放效率在AB类功放的基础上得到进一步提升。理论上转换效率为100%。长期以来，大多数水声信号发射机是使用传统的AB类功率放大器构建的。该类功放非线性失真虽然小，但效率可能会低于70%，随着水声通信、定位、导航和探测领域的快速发展，使得水声发射机向着低频率、小体积、宽带和高效率发展，因此本次设计采用了效率更高的D类功率放大器进行对水声发射机的设计研究。如下图所示，为传统的D类功放工作原理。图1.6经典D类功放原理图一般来说，D类功率放大器由PWM调制、功率放大、输出滤波组成，其中PWM调制和功放是D类功率放大器的核心，接下来重点研究PWM调制和放大器。1.1.1PWM调制原理及实现1）PWM调制原理脉冲宽度调制(PWM)，广泛应用于测量、通信、功率控制和转换。脉冲宽度调制(PWM)是D类功率放大器常用的调制方法。下面介绍PWM调制的原理及PWM信号的产生方式。PWM技术的基本原理是等面积原理。以正弦信号为例，正弦信号被均匀划分为N等份。当N的值足够大时，可以把正弦波看做由N个等宽不等幅的脉冲组成，脉冲的幅值变化对应于正弦波幅值变化，根据等面积原理，我们可以用频率相同、占空比不同但面积对应相等的脉冲进行置换，从而得到正弦波PWM信号。当三角波频率达到一定数值时，PWM信号可以通过低通滤波器，恢复原信号。由运算放大器构成的比较器的正输入端输入调制信号，负输入端输入载波通信信号，即高频三角波信号。比较器的输出值在于其特性。当被调制信号幅度超过高频三角波时，比较器的输出信号为高电平；当被调制信号的幅度低于高频三角波时，比较器的输出信号为低电平。为了更好地还原调制信号，三角波的频率应远高于输入调制信号的频率。产生PWM信号波形的方法有两种：模拟法和数字法。模拟法是利用模拟电路产生高频三角波。由于模拟电路产生的高频三角波信号具有一定的电压偏置，因此必须先对输入信号进行幅值上的调整。数字法的原理是利用数字芯片产生输入信号和高频三角波信号。然后使用相同的采样率对输入信号和三角波信号进行采样。输出采样后的数值结果。与模拟法相比，数字法具有操作简单、调整精度高等优点。如下图所示为PWM的调制原理。图1.7PWM调制原理图一般情况下，可以使用PWM调制芯片或者搭建建PWM调制器来实现以上两种方法，本设计中基于multisim设计搭建PWM调制器如下图1.8所示：PWM调制器的仿真结果如图1.10所示：图1.8PWM调制电路D类功放的功放管只有开和关两种工作状态。在理想条件下，当脉冲为高电平时功放管处于全导通状态。此时功放管内阻为零，无功率损耗；脉冲为低电平时，功放管完全截止，此时功放管内阻无限大，也无功率损耗。在实际应用中，转换损耗和I2R是D类功放的功率损耗的主要来源。如下图是D类功放的转换损耗。图1.9D类功放转换损耗示意图图1.10PWM调制仿真结果高频三角波信号产生电路如图1.11所示：仿真结果如图1.12所示产生高频三角波信号的思路是先设计前置矩形波发生电路，然后对矩形波进行积分，最后输出三角波。在前置的矩形波发生电路中，利用二极管的单向导电性使得电容正向和反向充电通路不同，就可以改变输出电压的占空比。图1.11高频三角波发生电路图1.12高频三角波仿真结果1.1.2死区电路设计与仿真D类功率放大器，是一种开关功率放大器。输出级一般采用H桥拓扑，所以需要需要两路反相信号分别驱动上下MOS管，使上下管交替工作，然而，在转换的过程中，输出功率管的上下管可能在很短的时间内同时导通。此时瞬间会有很大的电流通过，造成不必要的损耗，降低发射器的效率，甚至这可能会导致输出功率管烧坏。因此，需要设计死区电路，使上下管在状态发生改变之前同时关闭它们，然后通过电路运行其中一个，这样可以避免上下管同时导通的问题。上下管同时关闭的时间为死区时间。死区时间虽然可以避免上下管瞬间接通的问题，但也会在一定程度上造成信号失真。如果死区时间太短，会降低发射器效率，如果死区时间太长，则会在输出信号上引入非线性失真。在进入死区电路之前，先对波形进行了整形，波形整形电路如图1.13所示，整形结果如图1.14所示，设计的死区电路如图1.15所示，死区电路仿真结果如图1.16所示：图1.13波形整形电路图1.14波形整形结果图1.15死区电路设计图1.16死区电路仿真结果1.1.3驱动电路的设计与仿真在功放电路中，热损耗是不可避免的，因为采用双极晶体管作为输出功率管存在热击穿问题，而MOS管在漏极电流值小时具有正温度系数（温度增大，漏极电流值变大），电流大时具有负温度系数（温度升高，漏极电流值变小）,并且MOSFET具有非常高的输入阻抗、极短的开关时间和无二次击穿现象，可以轻松地将多个管并联以增加输出电流容量，而无需均衡电阻。由于这个特性，MOS管比双极晶体管更适合作为功率放大器的输出级。MOS管作为电压驱动型器件，虽然推动功率要比电流型驱动器件小，但在工作期间也需要一定的驱动功率，这是MOS管内部电容造成的。反向转移电容、栅极驱动源阻抗共同决定了器件的开关速度，开关速度直接影响发射器的工作效率，因此驱动电路需要提供足够的电流。与分立元件构成的驱动电路相比，采用集成驱动芯片可以大大简化电路设计。设计减小电路尺寸，同时易于调试，抗干扰能力强。IR