一种分时工作的双路声呐发射机研制

王雪平，邓锴，张兆伟

一种分时工作的双路声呐发射机研制

王雪平1,2，邓锴1,2，张兆伟1,2

(1. 中科院声学研究所海洋声学技术中心，北京 100190；2. 北京市海洋声学装备工程技术研究中心，北京 100190)

针对自容式波浪声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profilers, ADCP)所需声呐发射机的设计要求，设计并实现了一种分时工作的双路声呐发射机。从工程实际需求出发，结合功率电路的理论、工作经验和设计方法，提出一种全新的分时工作的双路声呐发射机的设计方案，制作出样机，并进行了水池试验。实验结果表明，该分时工作的双路声呐发射机，所选择的发射机通道能准确地输出相应的发射电压，满足自容式波浪ADCP的需求。

声学多普勒流速剖面仪(ADCP)；自容式波浪ADCP；声呐发射机；分时工作方式

0 引言

波浪是海水运动的形式之一，也是物理海洋学研究的重要内容，是海洋预报、减灾防灾、海洋工程和航海安全等领域的重要输入参数之一。研究波浪必须进行波浪观测，目前进行波浪观测有多种有效的手段，采用较多的有人工测量法，仪器测量法和遥感反演法。浪流一体的海流波浪ADCP是在自容式ADCP的基础上增加测波浪的功能，布置在海底观察波浪的波高与波速。自容式波浪ADCP需要4个声学波束，获得海表面附近水质点随波浪运动的轨迹速度，还需要一个中间垂直波束直接进行波面跟踪，获得高频率高精度的波面高度数据，然后采用波浪反演法得出波浪的波高与波速。自容式波浪多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profilers, ADCP)需要两发射机获取所需的数据，一台是四波束发射机，一台是单波束发射机，两台发射机工作时间点不同，发射电压的需求也不同。

1 双路声呐发射机系统组成

分时工作的双路发射机电路主要由产生信号的FPGA电路、驱动信号隔离电路、模拟开关选择电路、电容滤波整流电路、驱动信号的放大电路、全桥逆变电路、变压器匹配电路组成，分时工作的双路声呐发射机的硬件工作流程框图如图1所示，其主要特点是：(1) 采用隔离电路有助于提高驱动信号的抗干扰能力。(2) 采用模拟开关选择驱动信号，两路发射机电路工作频率可以相同，也可选择不同频率的工作方式。(3) 两路发射机的中心工作频率均可到1MHz，可扩展使用至更高频率的波浪ADCP。

图1 双路声呐发射机框图

1.1 驱动信号的隔离电路

驱动信号隔离电路主要作用是隔开现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)驱动信号和驱动电路的驱动信号，以避免驱动电路在工作过程中产生的纹波影响到前级，同时一旦全桥逆变电路出现问题，也能保护前级的电路保持继续工作状态。

驱动信号隔离电路中采用的主要隔离芯片是ADuM1400，这是一款有4个通道数字的隔离芯片，其采用新技术可出色地实现隔离性能，不需要众多外围器件，与普通的隔离器件相比，该芯片设计简单，功耗较低[1]。驱动信号隔离电路如图2所示。

图2 驱动信号隔离电路

1.2 模拟开关电路

模拟开关的示意图如图3所示，利用信号S的高低电平来选择信号Q和NQ是连通A路驱动信号还是连通B路驱动信号。本设计选择的模拟开关是ADG736，此器件内置了两个独立的CMOS单刀双掷开关，这些开关具有低功耗、高开关速度、低导通电阻等特性。

ADG736具有超低的导通电阻，导通电阻在整个模拟信号频率范围内变化不大，可以保证信号在切换时拥有出色的线性度和低失真性能；同时ADG736具有极快的开通和关断时间，开通时间为16 ns、关断时间为8 ns，这为双路发射机工作频率为1 MHz提供了可能，模拟开关电路如图4所示。

图3 模拟开关工作示意图

图4 模拟开关电路

1.3 驱动电路设计

分时工作的两路发射机发射功率不同，为简化电路设计，这两路发射机采用相同的硬件电路。因为分时工作的双路发射机工作频率较高，为了减小在开关过程中功率金氧半场效晶体管(Metal-Oxide Semi- conductor Field-Effect Transistor, MOSFET)产生的功耗，必须快速地打开或者闭合功率MOSFET，所以驱动电路必须有提供较大灌电流和拉电流的能力[2]。

本设计选用的驱动芯片是IR2110S，这款驱动器件具有自举浮动电源，其驱动电路的外围器件十分简单，只用一个电源可同时驱动上小桥臂。其主要的工作指标[3]为

(1) 可输出高边和低边两路驱动信号；

(2) 悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500 V；

(3) 开通和关断延迟小，分别为120 ns和94 ns；

(4) 输出电流峰值约为2 A。

IR2110S驱动电路图如图5所示。

图5 IR2110S驱动电路图

1.4 功率放大电路设计

对于大功率发射机的设计选择开关MOSFET时，很多参数都需要考虑，如最大栅源电压、最大漏源电压、最大漏极电流、内阻、输入电容、栅电荷等[4]。

综合考虑选择MOS管等诸多因素，发射机A选择IRFR3710作为功放管。

发射机B需输出功率是20 W，电源电压为24 V，功率管上管压降约为2 V，则流过功放管的最大漏极电流：

综合考虑选择MOS管等诸多因素，发射机B选择IRLR3110作为功放管。发射机B的输出功率也可达400 W，由此可扩展分时工作的双路发射机的用途。

1.5 储能电容设计方法

声呐发射机所发射的信号是根据具体的使用要求来确定发射的脉宽和周期，发射的脉宽和发射机周期都会随着使用要求的不同而改变，但是无论脉宽和周期怎样变化，发射机都是在瞬间的发射功率较大。在发射机工作的瞬间，需要提供足够的工作电流，这就需要大量的储能电容来把能量事先储存起来，发射机不工作时给电容充电，在发射机工作时，这些电容释放出储存的能量为发射机提供瞬间大电流[5]。发射机所需的储能电容可由式(3)～(5)计算：

由此可得：

2 变压器设计原理

由于所采用的水声换能器是电压敏感型换能器，其阻抗值较大，而声呐发射机所输出的电压幅值取决于电源电压，不可随意改变，为了获得更高的电压需要变压器来耦合声呐换能器负载。变压器是声呐发射机不可缺少的部分，起着十分重要的作用，主要的功能有以下几点[6]：

(1) 将全桥逆变电路输出的功率高效地传输至声呐换能器上；

(2) 将声呐换能器阻抗等效变换至变压器的初级侧在初级侧等效电路中，其等效电阻

其中，为变压器的变比。

2.1 变压器设计

变压器的工作频率取决于发射机的工作频率，根据发射机的工作频率选择变压器的磁性材料，而变压器初级和次级线圈的匝数以及匝数比可由下列方式确定：

得到变压器初级和次级线圈的匝数比后，只要得出初级线圈的匝数，就可计算出变压器次级线圈的匝数。

已知变压器的最小的初级电感量，可以通过绕制变压器后，采用阻抗分析仪测量电感的方式确定变压器初级线圈的匝数，从而计算出次级的匝数[8]。

3 双路发射机实验结果

为了检验双路发射机是否满足设计要求，对双路发射机进行了功能测试。

图6为模拟开关电路输出的一个驱动信号经过模拟开关后输出的两路驱动信号，模拟开关电路能根据工作需要准确地发出驱动信号。图7为全桥驱动电路的同一桥臂输出的高端和低端驱动信号，虽然波形的形状不完全是方波，但电压幅值大于7 V，可以完全打开MOSFET。

图7 驱动电路输出的驱动信号波形图

图8 发射机A输出的电压电流波形

图9 发射机B输出的电压电流波形

4 结束语

本文研制的海流波浪测量仪进行了水池实验，证明这种分时工作的双路声呐发射机能够满足自容式波浪ADCP的功率要求，而且能够准确地选择发射机A和发射机B工作的时间段，这种新型的双路声呐发射机具有足够的工作带宽，工作频率可达1 MHz，为设计更高频率的自容式波浪ADCP提供了可能。

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WANG Xueping, DENG Kai, LU Shan. Research on reducing residual vibration duration of sonar transmitter[J]. Technical Acoustics, 2019, 38(2): 136-139.

[8] 王雪平, 邓锴, 吴健波. 一种新型的高频声呐发射机的研制[J]. 现代电子技术, 2017, 40(5): 89-92.

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

国家重点研发计划(2017YFC1403404)、国家重点研发计划(2017YFC0405700-2)

王雪平(1977－), 女, 山东菏泽人, 研究方向为声呐发射机。

王雪平, E-mail: sky_wxp@126.com