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(qū)軍事代表局 沈陽遼海裝備有限責(zé)任公司，沈陽 110003）

0 引言

隨著我國海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)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(zhàn)。碰撞是船只航行安全的頭號(hào)敵人，水下障礙物是導(dǎo)致船只受損的主要原因之一。航行時(shí)依靠聲納進(jìn)行實(shí)時(shí)探測，規(guī)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(guī)定的距離內(nèi)檢測到目標(biāo)，為船只實(shí)施機(jī)動(dòng)規(guī)避留出足夠的反應(yīng)時(shí)間；又要能夠覆蓋足夠的探測空間，并提供目標(biāo)的空間位置信息，同時(shí)更要具有高分辨力[1]。作為主動(dòng)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(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)信號(hào)探測。因此，“全數(shù)字”D類發(fā)射機(jī)的研制顯得尤為必要。

“全數(shù)字”D類發(fā)射機(jī)是采用可編程邏輯芯片產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）等探測信號(hào)，激勵(lì)全橋功率放大器并通過匹配網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器，實(shí)現(xiàn)電聲信號(hào)轉(zhuǎn)換達(dá)到主動(dòng)探測的目的?！叭珨?shù)字”D類發(fā)射機(jī)具有小體積高效大功率、寬帶高頻、低失真的特點(diǎn)，具有過壓、過流和過熱等多重保護(hù)。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 傳統(tǒng)D 類發(fā)射機(jī)

現(xiàn)代主動(dòng)聲納發(fā)射機(jī)普遍采用效率高的D類功放，通常是將模擬輸入信號(hào)（自振蕩信號(hào)）與某一頻率的三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生一對(duì)相位相反的PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)后控制功率放大器交替工作，從而形成高壓放大。信號(hào)流程：“模擬信號(hào)產(chǎn)生→比較器→PWM脈沖→驅(qū)動(dòng)→高壓放大→模擬還原”，缺點(diǎn)如下：

1）電路復(fù)雜，走線多，成本高

采用復(fù)雜發(fā)射信號(hào)以后，發(fā)射波形不是再由簡單的振蕩電路產(chǎn)生，而是來自于數(shù)字信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)通過多通道DA板轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)再送至發(fā)射機(jī)，需要經(jīng)過多路模擬電纜，易受干擾、布線成本高。

2）模擬信號(hào)PWM調(diào)制后功放的零電平問題

典型的D類發(fā)射機(jī)通過對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)輸入模擬信號(hào)接近為零時(shí)，正負(fù)PWM信號(hào)都是占空比為50%的方波，對(duì)功率放大器消耗極大的功率，極易損壞。為了解決這個(gè)問題，必須引進(jìn)同步控制，同步控制信號(hào)與PWM信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，在無發(fā)射信號(hào)時(shí)使功率放大器保持截止。又提出對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行檢波判決的方法，當(dāng)信號(hào)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(huì)增加成本，降低可靠性。

1.2 “全數(shù)字”D 類發(fā)射機(jī)

“全數(shù)字”的意思是不采用模擬信號(hào)輸入和PWM比較采樣，而將數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的FPGA或者DSP生成的數(shù)字信號(hào)通過數(shù)字電路直接轉(zhuǎn)換為含有驅(qū)動(dòng)要求的PWM控制信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)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(shí)上位機(jī)可通過網(wǎng)絡(luò)、光纖或者串口與發(fā)射機(jī)通信，大幅減小了在船只上安裝時(shí)的布線成本。

2）完全解決零電平問題，提高可靠性

發(fā)射波形的數(shù)字量化信號(hào)轉(zhuǎn)換為PWM波形完全通過數(shù)字電路完成，當(dāng)數(shù)值為零時(shí)，可以使功率放大器完全截止，不存在誤判情況。

傳統(tǒng)D類發(fā)射機(jī)與“全數(shù)字”D類發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程比較見圖1。

圖1 傳統(tǒng)與“全數(shù)字”D 類發(fā)射機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)比較

2 主要單元結(jié)構(gòu)及功能原理設(shè)計(jì)

“全數(shù)字”D類發(fā)射機(jī)主要由全數(shù)字信號(hào)發(fā)生器（PWM調(diào)制信號(hào)）、驅(qū)動(dòng)、功率放大（全橋）、保護(hù)、匹配網(wǎng)絡(luò)、取樣組成，原理框圖見圖2。

圖2 原理框圖

2.1 全數(shù)字信號(hào)發(fā)生器

“全數(shù)字”的意思是不采用模擬信號(hào)輸入和PWM比較采樣，而通過數(shù)字信號(hào)發(fā)生器FPGA或者DSP直接生成滿足驅(qū)動(dòng)要求的PWM數(shù)字調(diào)制信號(hào)，這部分就是全數(shù)字信號(hào)發(fā)生器。主要由以下幾部分組成：

1）通信接口。與上位機(jī)進(jìn)行通信，完成發(fā)射命令的接收、狀態(tài)自檢等反饋信號(hào)的回傳等功能。該接口可以是光纖、以太網(wǎng)或其它高速串行接口。

2）信號(hào)發(fā)生器。依據(jù)發(fā)射命令，完成信號(hào)的生成、裝訂、驅(qū)動(dòng)等。

3）轉(zhuǎn)換。信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換和隔離驅(qū)動(dòng)。

PWM數(shù)字信號(hào)的作用就是將幅度量化轉(zhuǎn)換為脈沖時(shí)間寬度量化。PWM調(diào)制波形“全數(shù)字”產(chǎn)生見圖3。

圖3 PWM 波形“全數(shù)字”產(chǎn)生

從上位機(jī)角度看，與全數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的通信包括以下內(nèi)容：

1）下行

（1）發(fā)射機(jī)狀態(tài)查詢。

（2）下載發(fā)射波形數(shù)據(jù)。

（3）PING命令，選擇某一波形并發(fā)射。

2）上行

（1）狀態(tài)回傳（告警、保護(hù)）。

（2）接收發(fā)射波形確認(rèn)。

交互流程見圖4。會(huì)話均由上位機(jī)發(fā)起，如果上位機(jī)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)沒有收到回應(yīng)，則進(jìn)入超時(shí)錯(cuò)誤處理程序。

圖4 上位機(jī)與全數(shù)字信號(hào)發(fā)生器交互流程

其中，發(fā)射機(jī)狀態(tài)查詢用于確認(rèn)與全數(shù)字信號(hào)發(fā)生器通信是否正常。全數(shù)字信號(hào)發(fā)生器收到查詢命令后回復(fù)發(fā)射機(jī)當(dāng)前各通道的自檢狀態(tài)。

全數(shù)字信號(hào)發(fā)生器可存儲(chǔ)多種不同的波形數(shù)據(jù)，掉電不丟失。該數(shù)據(jù)在發(fā)射信號(hào)之前下載完成，全數(shù)字信號(hào)發(fā)生器收到該數(shù)據(jù)后，將其寫入FLASH指定位置，以便調(diào)用和發(fā)射，并且向上位機(jī)回復(fù)確認(rèn)。

正常工作狀態(tài)下，選擇某一指定的波形并發(fā)出，全數(shù)字信號(hào)發(fā)生器在發(fā)射完成后向上位機(jī)報(bào)告發(fā)射機(jī)狀態(tài)作為確認(rèn)。

2.2 驅(qū)動(dòng)和功率放大

該發(fā)射機(jī)采用全橋設(shè)計(jì)，選用4個(gè)大功率開關(guān)管組成一個(gè)H橋?yàn)樨?fù)載提供雙向的驅(qū)動(dòng)電流。驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別對(duì)應(yīng)H橋的高壓開關(guān)管，且自身帶有自舉電路分別對(duì)應(yīng)H橋的高邊和低邊驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)和功率放大原理框圖見圖5。

圖5 驅(qū)動(dòng)和功率放大原理框圖

驅(qū)動(dòng)信號(hào)見圖6。

圖6 驅(qū)動(dòng)信號(hào)

2.3 匹配網(wǎng)絡(luò)

本發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載是發(fā)射換能器，負(fù)載特性表現(xiàn)為容性。如何消除容性負(fù)載使得換能器的功率發(fā)揮到最大是必須要考慮到的問題。消除容性負(fù)載的方法很多，本發(fā)射機(jī)采用了LC差分濾波器和并聯(lián)匹配的方法。

匹配網(wǎng)絡(luò)原理框圖見圖7。

圖7 匹配網(wǎng)絡(luò)

差分濾波，系數(shù)K及計(jì)算公式如下：

式中：K為濾波器系數(shù)；RL等效負(fù)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(lián)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(lián)等效及諧振等效電路

由式（4）可得，當(dāng)諧振電感L0與換能器并聯(lián)，其等效負(fù)載阻抗不變[2]。

采用并聯(lián)匹配，計(jì)算如下：

式中：fc為信號(hào)的截止頻率；L0為匹配電感量；C0為負(fù)載的容抗。

3 試驗(yàn)及測試結(jié)果

發(fā)射機(jī)經(jīng)過水池、湖上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和岸基試驗(yàn)[3-4]。按照所承載載體的總體要求，經(jīng)過了多種單頻和復(fù)合復(fù)雜信號(hào)的實(shí)際發(fā)射驗(yàn)證，達(dá)到了設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。

3.1 測試數(shù)據(jù)

主要指標(biāo)數(shù)據(jù)測試如下：

1）帶內(nèi)起伏。通道內(nèi)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(jí)。不小于218 dB。

5）效率。不小于93%。

3.2 實(shí)物及波形

發(fā)射機(jī)實(shí)物見圖9。信號(hào)波形[5]、發(fā)射波形和接收波形見圖10。

圖9 “全數(shù)字”D 類發(fā)射機(jī)

圖10 各節(jié)點(diǎn)波形

4 結(jié)論

本發(fā)射機(jī)與傳統(tǒng)D類發(fā)射機(jī)相比有如下創(chuàng)新和改進(jìn)：

1）實(shí)現(xiàn)“全數(shù)字”PWM調(diào)制等復(fù)雜信號(hào)的產(chǎn)生。

2）完全解決傳統(tǒng)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(shù)據(jù)及水池、湖上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和岸基試驗(yàn)結(jié)果表明：“全數(shù)字”D類發(fā)射機(jī)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，完全達(dá)到設(shè)計(jì)目的。