《水声释放器硬件电路设计与实现》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水声释放器硬件电路设计与实现（70页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、，叫4 8一jos舌夏君os9哈尔滨丁稃人学硕十学付论文I I都一定的情况下，功率管栅丰及所需驱动功率会随着信号频率的增大将会增大，功率管栅极所需要的驱动电流会随着功率管开关时间减小而增大。驱动分为两种，集成驱动和分立驱动。在频率比较低的时候，功率管要求的驱动功率和驱动电流都比较小，这样不论是集成驱动还是分立驱动都能满足功率管所需要的驱动能力；当高频的时候，信号高低电平的持续时间将会减小，高电平时驱动电路向功率管栅极电容充电时间也将会减小，假若驱动电流在短时间内不能够达到功率管所需要的栅电荷的话，那么驱动信号的电压值上升就会变慢，这也就意味着高电平的宽度将会变窄。这时驱动电路的驱动能力也就弱了
2、。在这方面集成驱动的效果要比分立驱动好7 1 。通过上面的分析，应当选用集成驱动芯片作为功率管的驱动。本设计中实际选用的是M i c r e l 系列的单路输入输出驱动芯片M I C 4 4 2 2 作为功率管的驱动，其内部结构框图如图3 1 l 所示1图3 1 lM I C 4 4 2 2 芯片内部结构框图下面是该芯片的参数：l 、最大峰值输出电流：9 A ；2 、供电电压：4 5 V 2 0 V ：3 、容性负载驱动能力：O 4 7 n F ；4 、低延迟时间：3 0 n s ：5 、最大功率损耗：1 2 5 W ( 2 5 )图3 1 2 是芯片上升下降沿对应供电电压变化曲线，图3 1
3、3 是供电电压对应输出延时曲线，图3 1 4 是输入电压对应输出延时曲线：哈尔滨T 稃大学硕十学何论文l 、 4 7 0 0 0 t ) F2 2 0 0 0 p F、 I UU U U L ) t -S U P P L YV O L T A G E0 V )图3 1 2 上升下降沿对应供电电压变化曲线S U P P L YV O L T A G E V )1 2 011 0 1 0 0 9 0，一8 0罂7 0 u j6 0季4 5 。0 3 0 2 01 0 O8v s= 10 V、Lt D 2t D l蠢图3 1 5 压电式换能器等效电路一哈尔滨。：稃火学硕+ 学何论文但是在实际应用中一
4、般都是在某一频点上测量出换能器导纳或者阻抗函数虚部实部的值，在特定的频点上，将这些压电式换能器两端所呈现出的特性等效为电导和电纳的并联或者电阻与电抗的串联【1 9 ，下图是进行的更进 一步的简化，如图3 1 6 所示：Y a + j BZ R 巧X图3 1 6 特定频点上的导纳和阻抗G 、曰、R 、z 之间的关系是：一Ru2 R z + X 2( 3 - 8 )J o ，肚瓦( 3 - 9 )甜+ X l“” 肚赤B( 3 - l o )G 2 + 2”1 ”7 爿2 丽(311B)G 2 +2。77式中的G 代表的是电导，B 代表的是电纳，足代表的是电阻，彳代表的电抗，可以通过阻抗分析仪来测
5、出换能器具体的阻抗和导纳值。 二、匹配的分类负载阻抗匹配分为窄带匹配和宽带匹配两种情况。窄带匹配又称为单谐哈尔滨一I ：拌人学硕十学位论文由于压电式换能器呈现的是容性，再加上纯电感原件不会造成能量的损耗，因此可以用并联或者串联一个电感的方法来调节负载的阻抗，使换能器呈纯阻性负载，这样可以保证功率放大器的输出效率最高卅瞄瑚。等效电路如图3 1 7 所示，圪表示输入电压。( a )R +j ) 【LV g l( b )j B 【-图3 1 8 单频点信号匹配等效电路图3 1 8 ( a ) 中： 乙= j t o o L , + 吃+ 成( 3 - 1 2 )式中：Z ，电路等效阻抗；发射信号的角
6、频率；R ，换能器的电阻；X ，换能器电抗。图3 1 8 ( b ) 6 P ：E = _ 专+ q + 成( 3 一1 3 )j q L式中：Z 电路等效导纳；G ，换能器电导届换能器电纳。只有在电压和电流同相的条件下才可以使发射机工作效率达到最大，将式3 1 2 和3 1 3 中的等效负载调节至纯阻态，所以可得到下面几个公式：串联电感岛= 等= 志( 3 - 1 4 a )哈尔溟I 程大学硕十学位论文并联电感2 丽1 ( 3 - 1 4 b )等效电阻屹；2 石专匆( 3 - 1 5 a )心并= 砉( 3 - 1 5 b ) u 平均输出功率= 熹2( 3 1 6 )工作带宽罡，船= L
7、 J i g _ o f o( 3 1 7 )由式3 1 4 和3 1 5 可知，换能器的匹配包含调谐匹配和阻抗匹配嘲。调谐匹配用外加电抗元件的方法来中和负载的电抗成分，以此办法将负载调节剑纯阻态陶。通常是在输出端串联或并联上感性元件，来抵消压电换能器的电容。9 2 5 1 。三、匹配电路设计当发射机的发射功率一定时，为使换能器能获得最大的功率，所以要对换能器进行阻抗匹配。本设计的发射机实际发送信号的频带只有4 k H z ，由窄带匹配的基本原理知：当发射机发射的信号的频谱集中到某一中心频率附近比较窄的频带附近时，可以使用窄带匹配。对于窄带匹配来说只用一个匹配电感就可以完成，其电路结构比较简单
8、，占用空间也很小。所以针对本系统指标的要求，本发射机设计采用了并联匹配的形式。如图3 1 9 所示：J 最y l 。图3 1 9 并联电感匹配等效电路 本发射机选择在f = 1 2 k H z 处进行并联匹配。：麟f = 1 2 k H z 处，测得3 2哈尔滨T 程人学硕十学位论文换能器的电导为6 8 2g t s ，电纳为1 9 6 8 9 s 。由并联匹配电感公式3 - 1 4 b 得： = 去= 蘅丽毒丽黾7( m H ) 。由工作带宽公式3 1 7 得：n3 d B = L 并。c o o f o ：竺盟垫等塑型“z ) 。【1 6 8 2 X 1 0 巧所以发射机能满足发送信号4
9、k H z 带宽的要求。3 4 - 4 变压器设计变压器是D 类推挽放大电路中的重要的组成部分，变压器的主要作用是用来提高发射电路的输出功率，并能使功率放大器的输出阻抗与换能器的负载阻抗相匹配。变压器材料的选择与变压器的工作频率有关，电路工作频率必须在材料标称的频率范围内。一般锰锌材料的变压器使用频率从几千赫至几百千赫，镍锌材料的使用频率约从几百千赫至几百兆赫。在制作变压器的过程中要注意以下三点：l 、适量选取工作的磁通密度，磁通密度决定于磁芯的导磁率和线圈的匝数，变压器的上限频率会随着磁通密度的增大而升高，选取大的磁通密度可以提高变压器的带宽，再设计时因为空间的原因一般都要求匝数不要太多，所
10、以这就要求选用导磁率高的磁芯，但是如果磁通密度太高了也不好，一般选择的原则是磁通密度低于饱和磁通的3 0 最合适；2 、初级电感量要足够的大；3 、频率过高时宜选用多股导线并绕的形式。变压器工作在高频时导线的电阻值将会增加，阻值的增加将会引起发热，导致损耗的增加，同时导致变压器升温，引起连锁的不良反应，因此可以使用多股细导线并绕的方法来解决这方面的问题哪观。变压器主要考虑的是线圈匝数比和线圈圈数。本设计中变压器的匝数比和线圈圈数是这样确定的。在1 2 k H z 处该换能器的等效并联电阻约为1 5 k f ，当发射机发送2 0 0 W3 3哈尔溟T 样大学硕十字f c 7 ：论文的脉冲功率时，
11、功率管实际最大输出脉冲功率3 0 0 W ，考虑功率管上有2 V 的压降，功率管最大输出电压为= 2 2 V ，最大输出电流k = 2 7 3 A 。则变压器的初次级匝数可以通过公式3 1 8 计算确定。功率管输出电阻R 脚为：2 专5 恭一。盘0 6 ( Q ) 1 鼬 一。妪黝黝瞰比恕k 压2 虑- 4 3 。选用的是G U 4 8 型罐型磁芯，由于其导磁系数较大，初级大约1 0 圈即可满足要求，则次级线圈圈数为1 0 4 3 = 4 3 0 圈。3 4 5 储能电容设计该功放电路板采用的是2 4 V 直流电源供电，当电路板发射信号时，需提供瞬时大电流，一般的直流电源都没有这么强的供电能力
12、，所以设计了大电容组与电源并联的方式供电，如图3 2 0 所示，当功放不工作时，电源对电容充电，功放工作时，电容对外释放能量。电源- e l =- - 0 2 = C 3 一一一一一=z C n - l =图3 2 0 电容与电源并联示意图电容容值的计算可通过下面的公式：Q = P 宰fQ = 三( 凇一曙c )( 3 1 9 )( 3 2 0 )Q 厮2 P r( 3 - 2 1 )I 仅p = 2 0 0 W ，r u A x = 1 0 m s ，K = 2 4 V ，按电容下降1 0 算，由公式3 - 2 13 4 6 功率管的散热设计重量予以考虑。设计时要注意以下方耐2 7 1 ：哈
13、尔滨。门晕大学硕十学位论文不加散热片时功率管微烫，加上散热片后功率管就基本不热了。3 5 性能测试发射机的输入信号是由数字板发出的相位相差为1 8 0 。的两路C W 脉冲，该脉冲频率1 2 k H z ，脉宽是1 0 m s ，周期是l s ，图3 2 l 为实测的发射机波形，这是衰减1 0 0 倍得到的电压峰峰值1 5 3 V 。经测算电压峰值满足发射要求。扣6O O V 。匿露暖f4o o o 霹2 D o 霉S t o pf皿 1 0 V盔玉燃函琵缀孵嘲秽； j 一臻 尤删删撕酾削勰镢舰嘶删必燃喇吻渤燎巍裂镶皎臻彝燃臻唧幽 爨 嚣：乒_ 醯釜瞄盈幽汹五譬瞄圈簪瞄回- 誓豳鼙翻幽函蓄鲨簟
14、瞄凶遴豳呦_ _ - _ 皤簟_ _ 呦一 鏊二。! ：! ：笼：三：S 星篡：二k ；! 嫠裂：毛翻；蒌l ；。：凌：纛：! ：；娑竺：，图3 2 1 发射机输出波形为验证该发射机的功率的大小能否满足发射的要求，本发射机还测试了信号频率为1 4 k H z 发射机的输出波形，衰减1 0 0 倍得到的峰峰值1 3 9 V ，由图3 2 2 可知，在信号持续时间内信号峰值衰减小于1 0 ，电压峰值满足功率发射要求。5O O V 瞎”匿口r4o o O 暂2O O r s t o pf皿_ 叠銎一鲨J。P k _ 卜，k 1J1 39 VF r e q l l 1l z鍪二：X ：茏竺i ；量萎：
15、纛：竺蓥蓑：笼星；瑟；。釜。色：! ：；妥善：绥图3 2 2 发射机输出波形一警群蕊燃d飘。哈尔滨f ：程大学硕十学位论文3 6 小结本章完成了释放器发射电路的设计，根据设计要求达到的指标，完成了发射电路中各部分电路的设计及电路参数的计算。重点讨论了功率放大电路中功率管的选取和匹配类型的选择。经过测试，该发射机的性能满足设计提出的要求。3 7哈尔滨T 种人学硕十学位论文第4 章信号处理电路模块设计4 1 引言信号处理电路模块由三部分组成：值班电路单元、数字信号处理单元和电源管理单元。主要负责完成系统的电路值班、信号检测和处理以及系统的电源管理功能。平时系统处理低功耗的值班状态，当检测到有唤醒信
16、号到达时，启动电源管理功能，控制数字信号处理单元的上电，由数字信号处理单元负责解码复杂的释放命令信号以及完成通信的功能。当长时间没有接收到信号时，值班电路将控制数字信号处理单元下电，重新回到低功耗的值班状态。下面将分别论述各个单元模块的硬件电路设计和实现过程。4 2 值班电路单元设计本系统引入值班电路的主要原因就是为了降低整个系统的功耗，以使系统能够长时间的工作，因此作为值班功能的值班电路首先要保证自身的低功耗。这部分电路平时一直处于上电值班状态，因此设计中电路的每个部分都尽量采用低功耗的器件，主处理器采用的是T I 公司的微功耗单片机M S P 4 3 0 F 1 6 1 1 ，在外围器件的选取上尽量采用C M O S
