相控阵多普勒测流仪发射机电路设计

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相控阵多普勒测流仪是以相控阵原理为基础，利用声波在水中的多普勒效应而制成的-种高性能测量流速和流向的仪器，该产品主要应用于港口海流监测以及内河流水纹监测。目前，国外市场上已有类似测流设备，在国内市场上利用相控阵技术的情况还很罕见n 。

为了发挥测流仪相控阵的优势，发射机必须有较高的声源级和可靠的稳定性，发射机性能的好坏直接影响到相控阵的作用距离和工作频带等性能，从而也关系到测流仪的整体工作状态 。

本研究提出-种采用D类功率放大、输出功率可调的水声信号发射机，该发射机具有效率高、体积小及抗干扰能力强等特点。

1 发射机的原理和组成发射机主要由信号产生拈，功率放大器 、保护自检电路 、匹配滤波拈及换能器组成，原理框图如图 1所示。

信号处理板输出脉冲信号，经驱动电路输出功率放大器控制信号，经功率放大和匹配电路后，驱动相控阵换能器工作，将电信号转化声信号，发射到水中b 。

收稿日期：2012-09-21作者简介：杭 亮(1984-)，男，江苏盐城人，主要从事硬件电路设计方面的研究.E-mail：hangliang715###163.tom第1期 杭 亮：相控阵多普勒测流仪发射机电路设计 ·109·图 1 发射机原理框图发射机的主要设计指标为输出电功率不小于100 W，两路输出信号相位差180。，误差≤1.5。，幅度不- 致性≤1 dB。

1.1 驱动电路驱动电路主要功能是：利用门电路形成两路控制信号，经驱动芯片IR4427驱动放大信号以控制功率放大电路中IGBT开通断状态 。

图2 驱动电路框图为了防止功率放大器中功率管同时开通，引起短路烧坏，本研究采用RC延时，将两路信号间隔开，间隔时间为200 ns左右。

1.2 功率放大电路为了降低相控阵多普勒测流仪整体功耗，该设计采用了推挽式D类功率放大器，该放大器的效率可高达90%以上，在感性负载时，转换效率更高，并且具有体积孝重量轻及发热量小等优点b 。

图3 功率放大器图3中，当Q 导通时Q：截止，线性可调DC-DC模块输出高压经变压器初级线圈与Q。形成回路。Q 导通时Q∝止，DC-DC拈输出高压'/c 经变压器初级线圈与Q 形成回路，两个半周期的信号经过变压器耦合放大后，输出完整的正弦波信号。其中，c ，R。和C ，：组成电压尖峰网络，防止漏源极间电压过高，D，，D为稳压二极管，R，，R 为限流电阻，C 为储能电容。

1.2.1 储能电容容值鉴于该发射机技术条件要求，单路输出功率不小于50 w，按惯例功率管输出应该不小于 P 1.5P75 W。该功率放大器高压为30 V，当发射信号时瞬间电流很大，所以本研究通过并联 C，储能电容方式提高驱动能力。

电容容值计算：QP ·y (1)Q c- c) (2)c≥ (3)- 式中：P -发射功率， -发射信号最大脉宽长度，Q-电容能量 ， -发射前电压 ，'，2-发射后电压 ，c-电容容值。

其中P 75 W，y4 ms， 30 V，按电容下降5%计算 ，v228.5 V，则 6857 IxF，该设计 中取10 000；zF/50 V电容，完全满足发射需求。

1.2.2 变压器参数变压器初次级线圈匝比nU。IU：，其中：UIvo。-vo 30V-2V28VUs4P·R √50·102-71 V式中： -变压器初级线圈电压 ， -次级输出电压 ，'/c -DC-DC输出最大电压 ， -功率管压降，P-单路输出功率，R -等效负载。

变压器的匝数比为：： ： 垫 上 71 2.5实际使用中，匝数比取理论值的1.5倍， 1/3.75，该设计中匝数比取1：3.8。

变压器初级线圈电感量 剖为：27rfo 2 150 10 o.1 mH 1- -. 。

现已知初级线圈电感量 ，可确定变压器初级线圈匝数 ，从而推出次级线圈匝数，该设计中变压器为外协厂商定做。

1.2.3 功率管选择功率管最大电流为：/max 丽75 -2.7A功率管开关时间为：≤ ×1×去 0.3 s式中：t。 -功率管开通时间；fo-信号频率，150 kHz。

功率管最大方向电压：≥2Vc ：60V· l10 · 机 电 工 程 第3O卷该电路中选取了N沟道的IGBT管40N6S2D ]，该功率管大量应用于大功率的开关电路中，各项参数都符合设计要求。

1.3 匹配网络该设计采用串联电感匹配，可以有效抑制电源输入方波中谐波，减轻功率管负担n 。

厂Y、 丫-、jWoL I餮[]R 二1露图4 电感串联匹配由测流仪换能器水池测试报告可知 ，换能器在150 kHz的电导 G8.251 0 mS，电纳 B2.031 0 mS。

则： B 0.186mH (G 日 ) 2 实验验证该实验通过测量发射换能器两端电压峰峰值l，p ，计算出负载功率，换能器上所测正弦波如图5所示。

图5 电感串联匹配图5中： 235 V，笔者计算出换能器全阵负载功率 P /4R 135 W ，符合输出功率大于100 W，两路信号相位误差 1。，幅度不-致性小于1 dB，符合设计要求。此外，该发射机在水池(国家水声-级计量站测量)测量 ，声源级最高达 217 dB。在千岛湖试验站，测流仪最远作用距离280 m，完全达到预期设计指标200 m。

3 结束语本研究结合了便捷式水声通信设备的特征 ，设计了-种小型高性能的水声信号发射机，发射机采用了D类推挽式功率放大器，进行了精确的阻抗匹配，使得换能器能获得最大的输出功率，增加了测流仪作用距离。该发射机已经装列在测流仪的正式产品之中，经过两年多的水池、湖试测试以及市惩户使用反映，其故障率低，实际应用结果表明该发射机具有较高稳定性，从而提高了测流仪整体质量。