“全數字”D 類發(fā)射機的研制

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任公司，沈陽 110003）

0 引言

隨著我國海洋經濟發(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敵人，水下障礙物是導致船只受損的主要原因之一。航行時依靠聲納進行實時探測，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)定的距離內檢測到目標，為船只實施機動規(guī)避留出足夠的反應時間；又要能夠覆蓋足夠的探測空間，并提供目標的空間位置信息，同時更要具有高分辨力[1]。作為主動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)射機實現(xiàn)主動信號探測。因此，“全數字”D類發(fā)射機的研制顯得尤為必要。

“全數字”D類發(fā)射機是采用可編程邏輯芯片產生脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）等探測信號，激勵全橋功率放大器并通過匹配網絡驅動發(fā)射換能器，實現(xiàn)電聲信號轉換達到主動探測的目的。“全數字”D類發(fā)射機具有小體積高效大功率、寬帶高頻、低失真的特點，具有過壓、過流和過熱等多重保護。

1 設計思路

1.1 傳統(tǒng)D 類發(fā)射機

現(xiàn)代主動聲納發(fā)射機普遍采用效率高的D類功放，通常是將模擬輸入信號（自振蕩信號）與某一頻率的三角波進行比較，產生一對相位相反的PWM脈沖寬度調制信號，經過驅動后控制功率放大器交替工作，從而形成高壓放大。信號流程：“模擬信號產生→比較器→PWM脈沖→驅動→高壓放大→模擬還原”，缺點如下：

1）電路復雜，走線多，成本高

采用復雜發(fā)射信號以后，發(fā)射波形不是再由簡單的振蕩電路產生，而是來自于數字信號發(fā)生器。信號通過多通道DA板轉換為模擬信號再送至發(fā)射機，需要經過多路模擬電纜，易受干擾、布線成本高。

2）模擬信號PWM調制后功放的零電平問題

典型的D類發(fā)射機通過對模擬輸入信號進行比較，當輸入模擬信號接近為零時，正負PWM信號都是占空比為50%的方波，對功率放大器消耗極大的功率，極易損壞。為了解決這個問題，必須引進同步控制，同步控制信號與PWM信號進行邏輯運算，在無發(fā)射信號時使功率放大器保持截止。又提出對輸入信號進行檢波判決的方法，當信號小于某一電平后，就使得功率放大器保持截止。上述方法都會增加成本，降低可靠性。

1.2 “全數字”D 類發(fā)射機

“全數字”的意思是不采用模擬信號輸入和PWM比較采樣，而將數字信號發(fā)生器的FPGA或者DSP生成的數字信號通過數字電路直接轉換為含有驅動要求的PWM控制信號。優(yōu)點如下：

1）簡化電路、降低成本

省去多通道DAC、PWM比較采樣部分。同時上位機可通過網絡、光纖或者串口與發(fā)射機通信，大幅減小了在船只上安裝時的布線成本。

2）完全解決零電平問題，提高可靠性

發(fā)射波形的數字量化信號轉換為PWM波形完全通過數字電路完成，當數值為零時，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)射機與“全數字”D類發(fā)射機的系統(tǒng)實現(xiàn)過程比較見圖1。

圖1 傳統(tǒng)與“全數字”D 類發(fā)射機系統(tǒng)實現(xiàn)比較

2 主要單元結構及功能原理設計

“全數字”D類發(fā)射機主要由全數字信號發(fā)生器（PWM調制信號）、驅動、功率放大（全橋）、保護、匹配網絡、取樣組成，原理框圖見圖2。

圖2 原理框圖

2.1 全數字信號發(fā)生器

“全數字”的意思是不采用模擬信號輸入和PWM比較采樣，而通過數字信號發(fā)生器FPGA或者DSP直接生成滿足驅動要求的PWM數字調制信號，這部分就是全數字信號發(fā)生器。主要由以下幾部分組成：

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

2）信號發(fā)生器。依據發(fā)射命令，完成信號的生成、裝訂、驅動等。

3）轉換。信號的電平轉換和隔離驅動。

PWM數字信號的作用就是將幅度量化轉換為脈沖時間寬度量化。PWM調制波形“全數字”產生見圖3。

圖3 PWM 波形“全數字”產生

從上位機角度看，與全數字信號發(fā)生器的通信包括以下內容：

1）下行

（1）發(fā)射機狀態(tài)查詢。

（2）下載發(fā)射波形數據。

（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）。

（2）接收發(fā)射波形確認。

交互流程見圖4。會話均由上位機發(fā)起，如果上位機在設定時間內沒有收到回應，則進入超時錯誤處理程序。

圖4 上位機與全數字信號發(fā)生器交互流程

其中，發(fā)射機狀態(tài)查詢用于確認與全數字信號發(fā)生器通信是否正常。全數字信號發(fā)生器收到查詢命令后回復發(fā)射機當前各通道的自檢狀態(tài)。

全數字信號發(fā)生器可存儲多種不同的波形數據，掉電不丟失。該數據在發(fā)射信號之前下載完成，全數字信號發(fā)生器收到該數據后，將其寫入FLASH指定位置，以便調用和發(fā)射，并且向上位機回復確認。

正常工作狀態(tài)下，選擇某一指定的波形并發(fā)出，全數字信號發(fā)生器在發(fā)射完成后向上位機報告發(fā)射機狀態(tài)作為確認。

2.2 驅動和功率放大

該發(fā)射機采用全橋設計，選用4個大功率開關管組成一個H橋為負載提供雙向的驅動電流。驅動信號分別對應H橋的高壓開關管，且自身帶有自舉電路分別對應H橋的高邊和低邊驅動。驅動和功率放大原理框圖見圖5。

圖5 驅動和功率放大原理框圖

驅動信號見圖6。

圖6 驅動信號

2.3 匹配網絡

本發(fā)射機驅動的負載是發(fā)射換能器，負載特性表現(xiàn)為容性。如何消除容性負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。消除容性負載的方法很多，本發(fā)射機采用了LC差分濾波器和并聯(lián)匹配的方法。

匹配網絡原理框圖見圖7。

圖7 匹配網絡

差分濾波，系數K及計算公式如下：

式中：K為濾波器系數；RL等效負載阻抗；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，當諧振電感L0與換能器并聯(lián)，其等效負載阻抗不變[2]。

采用并聯(lián)匹配，計算如下：

式中：fc為信號的截止頻率；L0為匹配電感量；C0為負載的容抗。

3 試驗及測試結果

發(fā)射機經過水池、湖上聯(lián)調試驗和岸基試驗[3-4]。按照所承載載體的總體要求，經過了多種單頻和復合復雜信號的實際發(fā)射驗證，達到了設計技術指標。

3.1 測試數據

主要指標數據測試如下：

1）帶內起伏。通道內最大為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。不小于218 dB。

5）效率。不小于93%。

3.2 實物及波形

發(fā)射機實物見圖9。信號波形[5]、發(fā)射波形和接收波形見圖10。

圖9 “全數字”D 類發(fā)射機

圖10 各節(jié)點波形

4 結論

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

1）實現(xiàn)“全數字”PWM調制等復雜信號的產生。

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。

大量的測試數據及水池、湖上聯(lián)調試驗和岸基試驗結果表明：“全數字”D類發(fā)射機滿足設計指標要求，完全達到設計目的。