相控陣多普勒測(cè)流儀發(fā)射機(jī)電路設(shè)計(jì)

杭 亮

（中船重工集團(tuán)公司第七一五研究所，浙江 杭州 310012）

0 引 言

相控陣多普勒測(cè)流儀是以相控陣原理為基礎(chǔ)，利用聲波在水中的多普勒效應(yīng)而制成的一種高性能測(cè)量流速和流向的儀器，該產(chǎn)品主要應(yīng)用于港口海流監(jiān)測(cè)以及內(nèi)河流水紋監(jiān)測(cè)。目前，國(guó)外市場(chǎng)上已有類似測(cè)流設(shè)備，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上利用相控陣技術(shù)的情況還很罕見[1]。

為了發(fā)揮測(cè)流儀相控陣的優(yōu)勢(shì)，發(fā)射機(jī)必須有較高的聲源級(jí)和可靠的穩(wěn)定性，發(fā)射機(jī)性能的好壞直接影響到相控陣的作用距離和工作頻帶等性能，從而也關(guān)系到測(cè)流儀的整體工作狀態(tài)[2]。

本研究提出一種采用D類功率放大、輸出功率可調(diào)的水聲信號(hào)發(fā)射機(jī)，該發(fā)射機(jī)具有效率高、體積小及抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 發(fā)射機(jī)的原理和組成

發(fā)射機(jī)主要由信號(hào)產(chǎn)生模塊，功率放大器、保護(hù)自檢電路、匹配濾波模塊及換能器組成，原理框圖如圖1所示。

信號(hào)處理板輸出脈沖信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路輸出功率放大器控制信號(hào)，經(jīng)功率放大和匹配電路后，驅(qū)動(dòng)相控陣換能器工作，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化聲信號(hào)，發(fā)射到水中[3]。

圖1 發(fā)射機(jī)原理框圖

發(fā)射機(jī)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)為輸出電功率不小于100 W，兩路輸出信號(hào)相位差180°，誤差≤1.5°，幅度不一致性≤1 dB。

1.1 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路主要功能是：利用門電路形成兩路控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片IR4427驅(qū)動(dòng)放大信號(hào)以控制功率放大電路中IGBT開通斷狀態(tài)[4]。

驅(qū)動(dòng)電路框圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路框圖

為了防止功率放大器中功率管同時(shí)開通，引起短路燒壞，本研究采用RC延時(shí)，將兩路信號(hào)間隔開，間隔時(shí)間為200 ns左右。

1.2 功率放大電路

為了降低相控陣多普勒測(cè)流儀整體功耗，該設(shè)計(jì)采用了推挽式D類功率放大器，該放大器的效率可高達(dá)90%以上，在感性負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)換效率更高，并且具有體積小、重量輕及發(fā)熱量小等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。

該功率放大器基本原理如圖3所示。

圖3 功率放大器

圖3中，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)Q2截止，線性可調(diào)DC-DC模塊輸出高壓經(jīng)變壓器初級(jí)線圈與Q1形成回路。Q2導(dǎo)通時(shí)Q1截止，DC-DC模塊輸出高壓Vcc經(jīng)變壓器初級(jí)線圈與Q2形成回路，兩個(gè)半周期的信號(hào)經(jīng)過(guò)變壓器耦合放大后，輸出完整的正弦波信號(hào)。其中，C1，R1和C2，R2組成電壓尖峰網(wǎng)絡(luò)，防止漏源極間電壓過(guò)高，D1，D2為穩(wěn)壓二極管，R3，R4為限流電阻，C3為儲(chǔ)能電容。

1.2.1 儲(chǔ)能電容容值

鑒于該發(fā)射機(jī)技術(shù)條件要求，單路輸出功率不小于50 W，按慣例功率管輸出應(yīng)該不小于P′=1.5P=75 W。該功率放大器高壓為30 V，當(dāng)發(fā)射信號(hào)時(shí)瞬間電流很大，所以本研究通過(guò)并聯(lián)C3儲(chǔ)能電容方式提高驅(qū)動(dòng)能力。

電容容值計(jì)算：

式中：P′—發(fā)射功率，γ—發(fā)射信號(hào)最大脈寬長(zhǎng)度，Q—電容能量，V1—發(fā)射前電壓，V2—發(fā)射后電壓，C—電容容值。

其中P′=75 W，γ=4 ms，V1=30 V，按電容下降5%計(jì)算，V2=28.5 V，則V2=6857 μF，該設(shè)計(jì)中取10 000 μF/50 V電容，完全滿足發(fā)射需求。

1.2.2 變壓器參數(shù)

變壓器初次級(jí)線圈匝比n=U1/U2，其中：

式中：U1—變壓器初級(jí)線圈電壓，U2—次級(jí)輸出電壓，Vcc—DC-DC輸出最大電壓，Vce—功率管壓降，P—單路輸出功率，RL—等效負(fù)載。

變壓器的匝數(shù)比為：

實(shí)際使用中，匝數(shù)比取理論值的1.5倍，n=1/3.75，該設(shè)計(jì)中匝數(shù)比取1∶3.8。

變壓器初級(jí)線圈電感量[7-8]為：

式中：f0—測(cè)流儀工作頻率。

現(xiàn)已知初級(jí)線圈電感量，可確定變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)，從而推出次級(jí)線圈匝數(shù)，該設(shè)計(jì)中變壓器為外協(xié)廠商定做。

1.2.3 功率管選擇

功率管最大電流為：

功率管開關(guān)時(shí)間為：

式中：ton—功率管開通時(shí)間；f0—信號(hào)頻率，150 kHz。

功率管最大方向電壓：

該電路中選取了N溝道的IGBT管40N6S2D[9]，該功率管大量應(yīng)用于大功率的開關(guān)電路中，各項(xiàng)參數(shù)都符合設(shè)計(jì)要求。

1.3 匹配網(wǎng)絡(luò)

該設(shè)計(jì)采用串聯(lián)電感匹配，可以有效抑制電源輸入方波中諧波，減輕功率管負(fù)擔(dān)[10-11]。

電感串聯(lián)匹配示意圖如圖4所示。

圖4 電感串聯(lián)匹配

由測(cè)流儀換能器水池測(cè)試報(bào)告可知，換能器在150 kHz的電導(dǎo)G=8.2510mS，電納B=2.031 0 mS。

則：

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量發(fā)射換能器兩端電壓峰峰值Vpp，計(jì)算出負(fù)載功率，換能器上所測(cè)正弦波如圖5所示。

圖5 電感串聯(lián)匹配

圖5中:Vpp≈235V，筆者計(jì)算出換能器全陣負(fù)載功率P=Vpp/4RL≈135 W，符合輸出功率大于100 W，兩路信號(hào)相位誤差1°，幅度不一致性小于1 dB，符合設(shè)計(jì)要求。此外，該發(fā)射機(jī)在水池（國(guó)家水聲一級(jí)計(jì)量站測(cè)量）測(cè)量，聲源級(jí)最高達(dá)217 dB。在千島湖試驗(yàn)站，測(cè)流儀最遠(yuǎn)作用距離280 m，完全達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)200 m。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究結(jié)合了便捷式水聲通信設(shè)備的特征，設(shè)計(jì)了一種小型高性能的水聲信號(hào)發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)采用了D類推挽式功率放大器，進(jìn)行了精確的阻抗匹配，使得換能器能獲得最大的輸出功率，增加了測(cè)流儀作用距離。該發(fā)射機(jī)已經(jīng)裝列在測(cè)流儀的正式產(chǎn)品之中，經(jīng)過(guò)兩年多的水池、湖試測(cè)試以及市場(chǎng)客戶使用反映，其故障率低，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明該發(fā)射機(jī)具有較高穩(wěn)定性，從而提高了測(cè)流儀整體質(zhì)量。

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