一種分時工作的雙路聲吶發射機研制

王雪平，鄧鍇，張兆偉

一種分時工作的雙路聲吶發射機研制

王雪平1,2，鄧鍇1,2，張兆偉1,2

(1. 中科院聲學研究所海洋聲學技術中心，北京 100190；2. 北京市海洋聲學裝備工程技術研究中心，北京 100190)

針對自容式波浪聲學多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profilers, ADCP)所需聲吶發射機的設計要求，設計并實現了一種分時工作的雙路聲吶發射機。從工程實際需求出發，結合功率電路的理論、工作經驗和設計方法，提出一種全新的分時工作的雙路聲吶發射機的設計方案，制作出樣機，并進行了水池試驗。實驗結果表明，該分時工作的雙路聲吶發射機，所選擇的發射機通道能準確地輸出相應的發射電壓，滿足自容式波浪ADCP的需求。

聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)；自容式波浪ADCP；聲吶發射機；分時工作方式

0 引言

波浪是海水運動的形式之一，也是物理海洋學研究的重要內容，是海洋預報、減災防災、海洋工程和航海安全等領域的重要輸入參數之一。研究波浪必須進行波浪觀測，目前進行波浪觀測有多種有效的手段，采用較多的有人工測量法，儀器測量法和遙感反演法。浪流一體的海流波浪ADCP是在自容式ADCP的基礎上增加測波浪的功能，布置在海底觀察波浪的波高與波速。自容式波浪ADCP需要4個聲學波束，獲得海表面附近水質點隨波浪運動的軌跡速度，還需要一個中間垂直波束直接進行波面跟蹤，獲得高頻率高精度的波面高度數據，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)需要兩發射機獲取所需的數據，一臺是四波束發射機，一臺是單波束發射機，兩臺發射機工作時間點不同，發射電壓的需求也不同。

1 雙路聲吶發射機系統組成

分時工作的雙路發射機電路主要由產生信號的FPGA電路、驅動信號隔離電路、模擬開關選擇電路、電容濾波整流電路、驅動信號的放大電路、全橋逆變電路、變壓器匹配電路組成，分時工作的雙路聲吶發射機的硬件工作流程框圖如圖1所示，其主要特點是：(1) 采用隔離電路有助于提高驅動信號的抗干擾能力。(2) 采用模擬開關選擇驅動信號，兩路發射機電路工作頻率可以相同，也可選擇不同頻率的工作方式。(3) 兩路發射機的中心工作頻率均可到1MHz，可擴展使用至更高頻率的波浪ADCP。

圖1 雙路聲吶發射機框圖

1.1 驅動信號的隔離電路

驅動信號隔離電路主要作用是隔開現場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)驅動信號和驅動電路的驅動信號，以避免驅動電路在工作過程中產生的紋波影響到前級，同時一旦全橋逆變電路出現問題，也能保護前級的電路保持繼續工作狀態。

驅動信號隔離電路中采用的主要隔離芯片是ADuM1400，這是一款有4個通道數字的隔離芯片，其采用新技術可出色地實現隔離性能，不需要眾多外圍器件，與普通的隔離器件相比，該芯片設計簡單，功耗較低[1]。驅動信號隔離電路如圖2所示。

圖2 驅動信號隔離電路

1.2 模擬開關電路

模擬開關的示意圖如圖3所示，利用信號S的高低電平來選擇信號Q和NQ是連通A路驅動信號還是連通B路驅動信號。本設計選擇的模擬開關是ADG736，此器件內置了兩個獨立的CMOS單刀雙擲開關，這些開關具有低功耗、高開關速度、低導通電阻等特性。

ADG736具有超低的導通電阻，導通電阻在整個模擬信號頻率范圍內變化不大，可以保證信號在切換時擁有出色的線性度和低失真性能；同時ADG736具有極快的開通和關斷時間，開通時間為16 ns、關斷時間為8 ns，這為雙路發射機工作頻率為1 MHz提供了可能，模擬開關電路如圖4所示。

圖3 模擬開關工作示意圖

圖4 模擬開關電路

1.3 驅動電路設計

分時工作的兩路發射機發射功率不同，為簡化電路設計，這兩路發射機采用相同的硬件電路。因為分時工作的雙路發射機工作頻率較高，為了減小在開關過程中功率金氧半場效晶體管(Metal-Oxide Semi- conductor Field-Effect Transistor, MOSFET)產生的功耗，必須快速地打開或者閉合功率MOSFET，所以驅動電路必須有提供較大灌電流和拉電流的能力[2]。

本設計選用的驅動芯片是IR2110S，這款驅動器件具有自舉浮動電源，其驅動電路的外圍器件十分簡單，只用一個電源可同時驅動上小橋臂。其主要的工作指標[3]為

(1) 可輸出高邊和低邊兩路驅動信號；

(2) 懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達500 V；

(3) 開通和關斷延遲小，分別為120 ns和94 ns；

(4) 輸出電流峰值約為2 A。

IR2110S驅動電路圖如圖5所示。

圖5 IR2110S驅動電路圖

1.4 功率放大電路設計

對于大功率發射機的設計選擇開關MOSFET時，很多參數都需要考慮，如最大柵源電壓、最大漏源電壓、最大漏極電流、內阻、輸入電容、柵電荷等[4]。

綜合考慮選擇MOS管等諸多因素，發射機A選擇IRFR3710作為功放管。

發射機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，則流過功放管的最大漏極電流：

綜合考慮選擇MOS管等諸多因素，發射機B選擇IRLR3110作為功放管。發射機B的輸出功率也可達400 W，由此可擴展分時工作的雙路發射機的用途。

1.5 儲能電容設計方法

聲吶發射機所發射的信號是根據具體的使用要求來確定發射的脈寬和周期，發射的脈寬和發射機周期都會隨著使用要求的不同而改變，但是無論脈寬和周期怎樣變化，發射機都是在瞬間的發射功率較大。在發射機工作的瞬間，需要提供足夠的工作電流，這就需要大量的儲能電容來把能量事先儲存起來，發射機不工作時給電容充電，在發射機工作時，這些電容釋放出儲存的能量為發射機提供瞬間大電流[5]。發射機所需的儲能電容可由式(3)～(5)計算：

由此可得：

2 變壓器設計原理

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，而聲吶發射機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耦合聲吶換能器負載。變壓器是聲吶發射機不可缺少的部分，起著十分重要的作用，主要的功能有以下幾點[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側在初級側等效電路中，其等效電阻

其中，為變壓器的變比。

2.1 變壓器設計

變壓器的工作頻率取決于發射機的工作頻率，根據發射機的工作頻率選擇變壓器的磁性材料，而變壓器初級和次級線圈的匝數以及匝數比可由下列方式確定：

得到變壓器初級和次級線圈的匝數比后，只要得出初級線圈的匝數，就可計算出變壓器次級線圈的匝數。

已知變壓器的最小的初級電感量，可以通過繞制變壓器后，采用阻抗分析儀測量電感的方式確定變壓器初級線圈的匝數，從而計算出次級的匝數[8]。

3 雙路發射機實驗結果

為了檢驗雙路發射機是否滿足設計要求，對雙路發射機進行了功能測試。

圖6為模擬開關電路輸出的一個驅動信號經過模擬開關后輸出的兩路驅動信號，模擬開關電路能根據工作需要準確地發出驅動信號。圖7為全橋驅動電路的同一橋臂輸出的高端和低端驅動信號，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MOSFET。

圖7 驅動電路輸出的驅動信號波形圖

圖8 發射機A輸出的電壓電流波形

圖9 發射機B輸出的電壓電流波形

4 結束語

本文研制的海流波浪測量儀進行了水池實驗，證明這種分時工作的雙路聲吶發射機能夠滿足自容式波浪ADCP的功率要求，而且能夠準確地選擇發射機A和發射機B工作的時間段，這種新型的雙路聲吶發射機具有足夠的工作帶寬，工作頻率可達1 MHz，為設計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

國家重點研發計劃(2017YFC1403404)、國家重點研發計劃(2017YFC0405700-2)

王雪平(1977－), 女, 山東菏澤人, 研究方向為聲吶發射機。

王雪平, E-mail: sky_wxp@126.com