聲波信號發(fā)射機(jī)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

祝鴻浩

摘要

本文設(shè)計了一種基于D類功放，能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)80%的聲波信號發(fā)射機(jī)，電路結(jié)構(gòu)簡明通用，便于應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】聲波信號發(fā)射機(jī) 數(shù)字化 設(shè)計

隨著聲波發(fā)射設(shè)備集成度的提高、便攜式的要求，基于D類功放的發(fā)射機(jī)設(shè)計由于其電源轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、散熱設(shè)備設(shè)計簡易而成為聲波信號發(fā)射機(jī)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。同時，存儲技術(shù)的發(fā)展也使得接口數(shù)字信號的全數(shù)字化聲波信號發(fā)射機(jī)成為首選。

數(shù)字化發(fā)射機(jī)一般由四個部分組成：

（1）信號源，生成需要的波形信號，其工作頻率、發(fā)射重復(fù)周期、脈寬都可自主控制，信號形式既可以為單頻脈沖調(diào)制波，也可以是調(diào)頻脈沖波或其它波形；

（2）發(fā)射控制信號形成器，作用是與接收與信號處理模塊同步；

（3）功率放大器，對發(fā)射信號進(jìn)行功率放大并與換能器阻抗匹配，以足夠高的轉(zhuǎn)換效率向水中輻射聲能量；

（4）儲能電源，它是功率放大器的供電來源。

1D類功放原理

D類功放如圖1所示主要由信號源、驅(qū)動電路、開關(guān)放大器和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)組成，將信號源輸出的方波，經(jīng)過驅(qū)動電路驅(qū)動送給開關(guān)放大器放大，輸出功率方波信號，通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)濾波輸出給換能器負(fù)載，實(shí)現(xiàn)大功率的聲波發(fā)射。

2發(fā)射機(jī)電路設(shè)計

2.1信號源設(shè)計

本文的發(fā)射機(jī)發(fā)射時，從信號源ARM的波形SRAM中讀取數(shù)字波形，為一對幅度相同（5Vpp），相位互補(bǔ)的方波，脈寬隨量程變化，由ARM控制器接收顯控計算機(jī)控制，如圖2所示。

2.2隔離電路設(shè)計

本文采用HCPL0637光耦器件實(shí)現(xiàn)信號源與功率放大電路的電氣隔離，防止因功率MOSFET損壞而使低電壓的信號源受到損害。當(dāng)PA為低電平時，光耦導(dǎo)通，VOl輸出到地，PA1輸出低電平（0V）；反之，為高電平（5V），實(shí)現(xiàn)信號的隔離輸出，如圖3所示。

2.3驅(qū)動電路設(shè)計

為滿足功率開關(guān)放大器開關(guān)的電壓和電流需求，增設(shè)驅(qū)動電路對驅(qū)動信號進(jìn)行調(diào)理。如圖4所示，IR4427S為15V供電，輸出OUTA為13.8?15V，2.5A；OUTB為13.8?15V，3.5A。方波PA1經(jīng)過驅(qū)動為14V的方波PA2驅(qū)動功率MOSFET柵極。

2.4功率放大器設(shè)計

功率放大器是發(fā)射機(jī)的核心電路，本文采用D類功放實(shí)現(xiàn)。如圖5所示方波驅(qū)動信號PA2、PB2通過控制功率MOSFET柵極交替導(dǎo)通，使儲能電源上的電荷以功率電流的形式流經(jīng)變壓器初級線圈，功率電流的交替變化在變壓器次級線圈上感應(yīng)產(chǎn)生功率輸出信號PA3、PB3，完成功率放大過程。IRFR220N的VDS=200V、IDS=4.8A，變壓器初級線圈上得到的信號為包含VCAP（48V）直流偏置的功率方波信號。C43、R87組成的濾波電路用于濾除開關(guān)MOSFET開關(guān)工作時在功率方波信號邊沿產(chǎn)生的高壓脈沖，保護(hù)MOSFET，防止被擊穿。

2.5匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

功率放大器輸出的功率輸出信號PA3、PB3為方波信號，包含奇次諧波，直接加載在換能器上，奇次諧波只能以換能器內(nèi)阻發(fā)熱的形式耗散，損害換能器。所以需要設(shè)計匹配濾波網(wǎng)絡(luò)濾除。同時，濾波網(wǎng)絡(luò)Q值可以提高輸出功率，如圖6所示。

2.6保護(hù)電路設(shè)計

功率放大器的輸出為高壓功率方波信號，驅(qū)動信號脈寬內(nèi)的高電平都會被放大，若信號脈寬異常導(dǎo)致開關(guān)MOSFET長時間導(dǎo)通會損壞開關(guān)器件；D類功放實(shí)現(xiàn)功率放大依賴于儲能電源充足的電荷儲備，若發(fā)射間隔內(nèi)儲能電源來不及補(bǔ)電，出現(xiàn)欠壓，則影響功放工作。針對這兩個問題分別設(shè)計了保護(hù)電路。脈寬保護(hù)電路利用電阻R45、電容C25、C26在發(fā)射脈寬內(nèi)充電，電容上的電壓不大于參考電壓實(shí)現(xiàn)保護(hù)。當(dāng)脈寬過長，充電電壓超過參考電壓，電壓比較器LM193D輸出低電平，停止發(fā)射。欠壓保護(hù)電路則是利用儲能電源電壓高于參考電壓則發(fā)射，反之，停止發(fā)射實(shí)現(xiàn)保護(hù)。如圖7、圖8所示。

3發(fā)射機(jī)輸出

本文設(shè)計的發(fā)射機(jī)變壓器線圈初級輸出一對相位互補(bǔ)，含48V直流偏置的±44V方波，如圖9所示。在lk負(fù)載上實(shí)現(xiàn)l.lkV電壓輸出，功率大于125W，輸出波形如圖10所示。

4發(fā)射機(jī)電路效率分析

發(fā)射機(jī)的功率消耗主要集中在開關(guān)放大器。功率MOSFET總是工作在飽和導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)，在截止?fàn)顟B(tài)時，無電流，無能量消耗；在飽和狀態(tài)時，內(nèi)阻很小，等效電路如圖11所示。其中Rs是功率管的等效電阻，RL、C是換能器等效負(fù)載換算到變壓器初級的等效參數(shù)。

為簡便，假設(shè)信號是單頻正弦波：

其頻率是f，周期是T，開關(guān)放大器輸出的功率信號是頻率為f的方波，設(shè)一個周期內(nèi)高電平的占空因數(shù)為a（a

電源提供的功率是：

式中：EC為電源電壓。

負(fù)載消耗的功率i

式中：UCES為功率管內(nèi)阻上的壓降。

功放效率：

本文采用的IPFR220N，由圖9測得UCES=4V，可得本文D類功放效率83%。由上式可知，MOSFET管的飽和壓降越小，效率越高；提高電源電壓，可明顯提高輸出功率，出于安全考慮，采用適當(dāng)電壓等級。由于開關(guān)信號和電磁干擾都要耗散一些能量，所以實(shí)際值會略低于理論值。實(shí)測發(fā)射機(jī)發(fā)射時，電源輸入48V、0.61A；未發(fā)射時電源輸入48V，0.36A。發(fā)射輸出l.lkV，占空比1：250。計算得到效率為80.6%。

5結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于D類功放的聲波信號發(fā)射機(jī)，能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)80%，電路結(jié)構(gòu)簡明通用，便于應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)，對通用電路設(shè)計具有參考意義。

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