應答器發射與控制電路的設計與實現

廖帆，朱代柱，楊文生

應答器發射與控制電路的設計與實現

廖帆，朱代柱，楊文生

(上海船舶電子設備研究所，上海 201108)

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

應答器；水下測量；發射電路；控制電路

0 引言

隨著水聲技術的發展，我國海洋科學研究和工程應用不斷地向深海、遠海快速發展，尤其是對水下目標定位的應用越來越廣泛。應答器常常作為模擬目標，在水下測量、定位與導航等領域發揮著不可或缺的作用[1]。發射電路是水聲應答器的核心部分，其性能優劣直接決定了應答器的作用距離與工作時間[2]。此外，因應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 應答器設計

應答器主要被用來模擬水下運動目標，通過母船發射的信號，做出相應的應答，可遠程遙控并長效工作[5-7]。該應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、收發合置模塊以及收/發換能器組成。設備組成框圖如圖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-直流轉換器(Direct Current- Direct Current Converter, DC-DC)。

圖1 應答器總體設計框圖

1.1 發射與匹配電路設計

發射電路作為應答器的重要組成部分，其性能參數直接決定了應答器的工作性能。發射電路的主要構成是功率放大器。傳統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、發熱嚴重，一般不應用在水下應答器中。

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，并結合換能器的阻抗特性，實現寬帶高效匹配。針對項目需求，應答器的主要技術指標如下：

發射聲源級：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公司生產的TAS5412作為發射電路的主電路。TAS5412是專為音頻功放設計的單片集成的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)最大輸出功率可達150 W，在散熱環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，而且內部集成了調制單元、驅動單元以及各種保護單元，大大地增加了系統穩定性。此外，TAS5412功放芯片內部集成保護電路，本文通過單片機采集其內部輸出的工作狀態信息，完成對發射電路的狀態監測和保護。發射電路組成框圖如圖2所示。圖2中，DSP為數字信號處理(Digital Signal Processing, DSP)。

TAS5412是一個雙輸入雙輸出的音頻功率放大器，為了滿足發射聲源級的要求，在設計時將其輸入、輸出的雙通道進行并聯，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絡，使功放的輸出阻抗與換能器的負載阻抗相匹配，以提高發射機的發射功率。在散熱方面，結合應答器圓筒外形結構特征，采用熱傳導方式，將鋁質散熱塊設計成鍥形結構，內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 發射電路組成框圖

1.2 遙控設計

應答器在使用時遠離試驗平臺，通過Labview軟件設計了遙控操作界面，TI公司TMSF28335板作為應答器的主控開發平臺主要完成的是對發射電路的信號輸入、狀態采集，以及遠程操作的參數控制。應答器在工作時通過應答器參數控制界面可完成對發射機輸入信號的設置。應答器參數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、信號的脈寬以及應答器處于應答模式狀態下的延時量進行遠程操作控制。

該應答器既可以利用已存儲的信號波形進行應答，也可以根據遙控參數實時計算信號波形進行應答。

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

1.3 收發合置電路設計

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

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

(2) 當需要應答器接收信號時，此時發射電路停止工作，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，然而接收機的內阻遠遠大于(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，其作用是可防止發射信號造成接收機電路的阻塞現象。阻塞現象是當發射大功率信號時，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。當發射脈沖結束后，隔直電容存儲的電能釋放需要一段時間，放電期間會導致模擬放大器的工作點發生偏移，嚴重時會使得模擬電路的工作點進入非線性區，從而導致接收機在這段時間內不能正常工作，而二極管D3與D4、D5與D6反向并聯恰好可以將這部分儲存的信號鉗位在二極管導通的電壓值，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象的發生。

圖3 收發合置電路圖

2 湖試與海試結果

項目組進行了湖上試驗，將應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

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

圖6 同一頻率下，發射聲源級與輸入信號幅度的關系

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

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

3 總結

應答器的發射電路采用集成的音頻功放，通過設計外圍濾波電路、采集電路、隔離電路以及單片機狀態采集監測電路等使得發射電路更加穩定可靠，實現了音頻功放向聲吶發射設備的轉化應用。此外，集成音頻功放相較傳統分立器件搭建的功率放大器不僅在穩定性和可靠性方面有明顯優勢，而且其電路板尺寸縮減近一半，大大地節省了安裝空間，縮小了其外部尺寸結構。

采用軟件化的界面設計保證了應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用需求。

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

[1] 陳可欽, 王永恒. 一種水聲應答器發射電路的設計與實現[J]. 通信電源技術, 2013, 30(3): 41-44.

CHEN Keqin, WANG Yongheng. Design and implementation of a small and high efficient underwater acoustic transmitter[J]. Telecom Power Technology, 2013, 30(3): 41-44.

[2] 王士龍, 傅翔毅, 施國全. 寬帶聲吶發射機匹配電路的設計與實現[J]. 聲學技術, 2011, 30(3): 368-370.

WANG Shilong, FU Xiangyi, SHI Guoquan. The design and realization of Broadband Soner transmitter’s matching circuits[J]. Technical Acoustics, 2011, 30(3): 368-370.

[3] 楊家庚, 張玉濤, 馬錦垠. 單片機和數字信號處理器實現的水聲應答機[J]. 電子測量技術, 2013, 36(8): 89-92.

YANG Jiageng, ZHANG Yutao, MA Jinyin. Acoustic responder design based on MCU and DSP[J]. Electronic Measurement Technology, 2013, 36(8): 89-92.

[4] 楊家庚, 孫昕. MSP430單片機在水聲應答釋放器中的應用[J]. 電子設計工程, 2013, 21(14): 156-158.

YANG Jiageng, SUN Xin. Application of MSP430 MCU in acoustic release responder[J]. Electronic Design Engineering, 2013, 21(14): 156-158.

[5] 白鑫, 錢志博, 陳潔．一種水聲應答器電子系統的設計口[J]. 電子測量技術, 2009, 32(10): 8-11.

BAI Xin, QIAN Zhibo, CHEN Jie. Design of underwater acoustic transponder electronic system[J]. Electronic Measurement Technology, 2009, 32(10): 8-11.

[6] 王建國. 水聲釋放器硬件電路設計與實現[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2009

WANG Jianguo. The design and realization of sonar releaser hardware circuitry[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2009.

[7] 李文虎. 超短基線定位系統水聲應答器的設計與實現[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2010.

LI Wenhu. Design and implementation of transponder in ultra short base line positioning system[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2010.

[8] 曹衛平, 梁興東. 應用于匹配網絡的負阻抗變換器研究[J]. 微波學報, 2012, 28(4): 85-96.

CAO Weiping, LIANG Xingdong. Study on negative impedance converter used in matching network[J]. Journal of Microwaves, 2012, 28(4): 85-96.

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