聲波信號發射機設計與實現

祝鴻浩

摘要

本文設計了一種基于D類功放，能量轉換效率達80%的聲波信號發射機，電路結構簡明通用，便于應用和實現。

【關鍵詞】聲波信號發射機 數字化 設計

隨著聲波發射設備集成度的提高、便攜式的要求，基于D類功放的發射機設計由于其電源轉換效率高、功耗低、散熱設備設計簡易而成為聲波信號發射機技術的研究熱點。同時，存儲技術的發展也使得接口數字信號的全數字化聲波信號發射機成為首選。

數字化發射機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、發射重復周期、脈寬都可自主控制，信號形式既可以為單頻脈沖調制波，也可以是調頻脈沖波或其它波形；

（2）發射控制信號形成器，作用是與接收與信號處理模塊同步；

（3）功率放大器，對發射信號進行功率放大并與換能器阻抗匹配，以足夠高的轉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、驅動電路、開關放大器和阻抗匹配網絡組成，將信號源輸出的方波，經過驅動電路驅動送給開關放大器放大，輸出功率方波信號，通過阻抗匹配網絡濾波輸出給換能器負載，實現大功率的聲波發射。

2發射機電路設計

2.1信號源設計

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

2.2隔離電路設計

本文采用HCPL0637光耦器件實現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PA為低電平時，光耦導通，VOl輸出到地，PA1輸出低電平（0V）；反之，為高電平（5V），實現信號的隔離輸出，如圖3所示。

2.3驅動電路設計

為滿足功率開關放大器開關的電壓和電流需求，增設驅動電路對驅動信號進行調理。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經過驅動為14V的方波PA2驅動功率MOSFET柵極。

2.4功率放大器設計

功率放大器是發射機的核心電路，本文采用D類功放實現。如圖5所示方波驅動信號PA2、PB2通過控制功率MOSFET柵極交替導通，使儲能電源上的電荷以功率電流的形式流經變壓器初級線圈，功率電流的交替變化在變壓器次級線圈上感應產生功率輸出信號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MOSFET開關工作時在功率方波信號邊沿產生的高壓脈沖，保護MOSFET，防止被擊穿。

2.5匹配網絡設計

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阻發熱的形式耗散，損害換能器。所以需要設計匹配濾波網絡濾除。同時，濾波網絡Q值可以提高輸出功率，如圖6所示。

2.6保護電路設計

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

3發射機輸出

本文設計的發射機變壓器線圈初級輸出一對相位互補，含48V直流偏置的±44V方波，如圖9所示。在lk負載上實現l.lkV電壓輸出，功率大于125W，輸出波形如圖10所示。

4發射機電路效率分析

發射機的功率消耗主要集中在開關放大器。功率MOSFET總是工作在飽和導通和截止兩種狀態，在截止狀態時，無電流，無能量消耗；在飽和狀態時，內阻很小，等效電路如圖11所示。其中Rs是功率管的等效電阻，RL、C是換能器等效負載換算到變壓器初級的等效參數。

為簡便，假設信號是單頻正弦波：

其頻率是f，周期是T，開關放大器輸出的功率信號是頻率為f的方波，設一個周期內高電平的占空因數為a（a

電源提供的功率是：

式中：EC為電源電壓。

負載消耗的功率i

式中：UCES為功率管內阻上的壓降。

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，采用適當電壓等級。由于開關信號和電磁干擾都要耗散一些能量，所以實際值會略低于理論值。實測發射機發射時，電源輸入48V、0.61A；未發射時電源輸入48V，0.36A。發射輸出l.lkV，占空比1：250。計算得到效率為80.6%。

5結論

本文設計了一種基于D類功放的聲波信號發射機，能量轉換效率達80%，電路結構簡明通用，便于應用和實現，對通用電路設計具有參考意義。

參考文獻

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