“全數字”D 類發射機的研制

張 巍，劉 洋，鄒 爽，邵立蓉

（中國人民解放軍海軍裝備部駐沈陽地區軍事代表局 沈陽遼海裝備有限責任公司，沈陽 110003）

0 引言

隨著我國海洋經濟發展，在近海和港口航行的商船、漁船日益增多，為船只航行安全帶來挑戰。碰撞是船只航行安全的頭號敵人，水下障礙物是導致船只受損的主要原因之一。航行時依靠聲納進行實時探測，規避障礙是避免碰撞的最有效方法之一。從功能上來說，聲納必須要在規定的距離內檢測到目標，為船只實施機動規避留出足夠的反應時間；又要能夠覆蓋足夠的探測空間，并提供目標的空間位置信息，同時更要具有高分辨力[1]。作為主動探測聲納更要具備小體積、大功率、低能耗、寬帶高頻、低失真的發射機實現主動信號探測。因此，“全數字”D類發射機的研制顯得尤為必要。

“全數字”D類發射機是采用可編程邏輯芯片產生脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）等探測信號，激勵全橋功率放大器并通過匹配網絡驅動發射換能器，實現電聲信號轉換達到主動探測的目的。“全數字”D類發射機具有小體積高效大功率、寬帶高頻、低失真的特點，具有過壓、過流和過熱等多重保護。

1 設計思路

1.1 傳統D 類發射機

現代主動聲納發射機普遍采用效率高的D類功放，通常是將模擬輸入信號（自振蕩信號）與某一頻率的三角波進行比較，產生一對相位相反的PWM脈沖寬度調制信號，經過驅動后控制功率放大器交替工作，從而形成高壓放大。信號流程：“模擬信號產生→比較器→PWM脈沖→驅動→高壓放大→模擬還原”，缺點如下：

1）電路復雜，走線多，成本高

采用復雜發射信號以后，發射波形不是再由簡單的振蕩電路產生，而是來自于數字信號發生器。信號通過多通道DA板轉換為模擬信號再送至發射機，需要經過多路模擬電纜，易受干擾、布線成本高。

2）模擬信號PWM調制后功放的零電平問題

典型的D類發射機通過對模擬輸入信號進行比較，當輸入模擬信號接近為零時，正負PWM信號都是占空比為50%的方波，對功率放大器消耗極大的功率，極易損壞。為了解決這個問題，必須引進同步控制，同步控制信號與PWM信號進行邏輯運算，在無發射信號時使功率放大器保持截止。又提出對輸入信號進行檢波判決的方法，當信號小于某一電平后，就使得功率放大器保持截止。上述方法都會增加成本，降低可靠性。

1.2 “全數字”D 類發射機

“全數字”的意思是不采用模擬信號輸入和PWM比較采樣，而將數字信號發生器的FPGA或者DSP生成的數字信號通過數字電路直接轉換為含有驅動要求的PWM控制信號。優點如下：

1）簡化電路、降低成本

省去多通道DAC、PWM比較采樣部分。同時上位機可通過網絡、光纖或者串口與發射機通信，大幅減小了在船只上安裝時的布線成本。

2）完全解決零電平問題，提高可靠性

發射波形的數字量化信號轉換為PWM波形完全通過數字電路完成，當數值為零時，可以使功率放大器完全截止，不存在誤判情況。

傳統D類發射機與“全數字”D類發射機的系統實現過程比較見圖1。

圖1 傳統與“全數字”D 類發射機系統實現比較

2 主要單元結構及功能原理設計

“全數字”D類發射機主要由全數字信號發生器（PWM調制信號）、驅動、功率放大（全橋）、保護、匹配網絡、取樣組成，原理框圖見圖2。

圖2 原理框圖

2.1 全數字信號發生器

“全數字”的意思是不采用模擬信號輸入和PWM比較采樣，而通過數字信號發生器FPGA或者DSP直接生成滿足驅動要求的PWM數字調制信號，這部分就是全數字信號發生器。主要由以下幾部分組成：

1）通信接口。與上位機進行通信，完成發射命令的接收、狀態自檢等反饋信號的回傳等功能。該接口可以是光纖、以太網或其它高速串行接口。

2）信號發生器。依據發射命令，完成信號的生成、裝訂、驅動等。

3）轉換。信號的電平轉換和隔離驅動。

PWM數字信號的作用就是將幅度量化轉換為脈沖時間寬度量化。PWM調制波形“全數字”產生見圖3。

圖3 PWM 波形“全數字”產生

從上位機角度看，與全數字信號發生器的通信包括以下內容：

1）下行

（1）發射機狀態查詢。

（2）下載發射波形數據。

（3）PING命令，選擇某一波形并發射。

2）上行

（1）狀態回傳（告警、保護）。

（2）接收發射波形確認。

交互流程見圖4。會話均由上位機發起，如果上位機在設定時間內沒有收到回應，則進入超時錯誤處理程序。

圖4 上位機與全數字信號發生器交互流程

其中，發射機狀態查詢用于確認與全數字信號發生器通信是否正常。全數字信號發生器收到查詢命令后回復發射機當前各通道的自檢狀態。

全數字信號發生器可存儲多種不同的波形數據，掉電不丟失。該數據在發射信號之前下載完成，全數字信號發生器收到該數據后，將其寫入FLASH指定位置，以便調用和發射，并且向上位機回復確認。

正常工作狀態下，選擇某一指定的波形并發出，全數字信號發生器在發射完成后向上位機報告發射機狀態作為確認。

2.2 驅動和功率放大

該發射機采用全橋設計，選用4個大功率開關管組成一個H橋為負載提供雙向的驅動電流。驅動信號分別對應H橋的高壓開關管，且自身帶有自舉電路分別對應H橋的高邊和低邊驅動。驅動和功率放大原理框圖見圖5。

圖5 驅動和功率放大原理框圖

驅動信號見圖6。

圖6 驅動信號

2.3 匹配網絡

本發射機驅動的負載是發射換能器，負載特性表現為容性。如何消除容性負載使得換能器的功率發揮到最大是必須要考慮到的問題。消除容性負載的方法很多，本發射機采用了LC差分濾波器和并聯匹配的方法。

匹配網絡原理框圖見圖7。

圖7 匹配網絡

差分濾波，系數K及計算公式如下：

式中：K為濾波器系數；RL等效負載阻抗；FC濾波器截止頻率；L為濾波器電感量；C為濾波器電容值。

并聯匹配等效電路見圖8(a)。諧振等效電路見圖8(b)。

圖8 諧振電感L0 與換能器并聯等效及諧振等效電路

由式（4）可得，當諧振電感L0與換能器并聯，其等效負載阻抗不變[2]。

采用并聯匹配，計算如下：

式中：fc為信號的截止頻率；L0為匹配電感量；C0為負載的容抗。

3 試驗及測試結果

發射機經過水池、湖上聯調試驗和岸基試驗[3-4]。按照所承載載體的總體要求，經過了多種單頻和復合復雜信號的實際發射驗證，達到了設計技術指標。

3.1 測試數據

主要指標數據測試如下：

1）帶內起伏。通道內最大為2.4 dB。

2）通道間一致性。通道間為0.8 dB。

3）失真度。不大于0.08%。

4）聲源級。不小于218 dB。

5）效率。不小于93%。

3.2 實物及波形

發射機實物見圖9。信號波形[5]、發射波形和接收波形見圖10。

圖9 “全數字”D 類發射機

圖10 各節點波形

4 結論

本發射機與傳統D類發射機相比有如下創新和改進：

1）實現“全數字”PWM調制等復雜信號的產生。

2）完全解決傳統D類功放的零電平問題，提高可靠性。

3）簡化電路、降低成本。

大量的測試數據及水池、湖上聯調試驗和岸基試驗結果表明：“全數字”D類發射機滿足設計指標要求，完全達到設計目的。