CN103368507A

CN103368507A - 一种带关断控制的声波激励信号放大器

Info

Publication number: CN103368507A
Application number: CN2013103371263A
Authority: CN
Inventors: 成向阳; 陈雪莲; 谭宝海; 郝宪锋
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2033-08-05
Also published as: CN103368507B

Abstract

本发明涉及一种带关断控制的声波激励信号放大器。声波激励信号放大器，包括输入控制单元、高压放大单元、快速关断单元、信号检测单元、主控单元和键盘，主控单元与输入控制单元、快速关断单元、信号检测单元和键盘相连；主控单元根据键盘的输入，设置信号检测单元信号检测门槛电平、输出输入控制单元和快速关断单元的控制脉冲；高压放大单元把输入控制单元的输入放大以后送到快速关断单元；快速关断单元利用主控单元的控制脉冲实现高压放大单元输出信号的关断与导通，来实现激励信号拖尾的抑制。本发明不仅具有宽频放大作用，而且它的关断功能可以有效抑制由于声波换能器自身特性引起的激励信号拖尾。

Description

一种带关断控制的声波激励信号放大器

技术领域

本发明属于作业、运输分类中的一般机械振动的发生或传递领域，具体地，涉及一种声波激励信号放大电路，尤其涉及一种带关断控制的声波激励信号放大器。

背景技术

目前常用的声波高压大功率激励手段是采用脉冲变压器方式，但脉冲变压器方式输出信号频率频带很窄，只能在小范围内调节，而且这种方式不能产生特殊形态的波形。同一变压器不能连续在不同频率下对换能器进行高压激励，激励频率变化比较大的情况下，采用脉冲激励方式时，只能更换激励变压器。而且采用变压器激励方式时，激励幅度调节也很麻烦，激励幅度也受变压器参数的影响，同一变压器，不能大范围调节。激励声波换能器经常需要使用一段单一频率的正弦波或特殊形态的高压大功率激励信号，但高压脉冲变压器方式无法产生这些形态的信号，不能满足声波激励的特殊需求。尽管常规的任意波形信号发生器能产生各种类型的激励信号，但输出最大幅度一般不超过20伏，不能满足换能器需要大功率高电压的激励需求。

由于声波换能器自身特性的原因，会在有效激励信号结束以后，还产生一段振荡信号，附加在激励信号的尾部，引起换能器的激励延时，造成接收信号的时域混叠，影响换能器工作效率，若能去掉激励信号的拖尾振荡，则能提高换能器的激励性能。由于继电器的响应速度最快也是ms级，无法达到快速关断激励信号的要求。

发明内容

为解决现有技术中普通任意波形信号源输出幅度比较小和声波换能器自身特性引起的激励信号拖尾震荡，本发明的目的是提供一种带关断控制的声波激励信号放大器，该放大器可以把十几伏的信号输出放大为几百伏的高压声波激励信号，而且可以有效抑制由于声波换能器自身特性引起的激励信号拖尾震荡。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种带关断控制的声波激励信号放大器，包括输入控制单元、高压放大单元、快速关断单元、信号检测单元、主控单元和键盘，其特征在于：输入信号与输入控制单元和信号检测单元相连，输入控制单元的输出与高压放大单元相连，高压放大单元的输出与快速关断单元相连，主控单元与输入控制单元、快速关断单元、信号检测单元和键盘相连；主控单元根据键盘的输入，设置信号检测单元信号检测门槛电平、输出输入控制单元的输出和快速关断单元的控制脉冲；高压放大单元把输入控制单元的输入放大以后送到快速关断单元；信号检测单元利用主控单元设置的检测门槛电平与输入信号进行比较，当检测到高于门槛电平的信号后，产出延时关断触发信号送到控制主控单元；快速关断单元利用主控单元的关断控制脉冲信号实现高压放大单元输出信号的关断与导通，来实现激励信号拖尾的抑制。

优选地，输入控制单元，包括一个高速低阻模拟开关，在主控单元5的控制下，为高压放大单元选择不同的输入信号。高速低阻模拟开关U1的两个输入分别接输入信号和接地，导通时，输入被接入高压放大单元，关断时，高压放大单元的输入接地。

优选地，高压放大单元，包括一个300V宽频带运放、第一高压高频大功率三极管和第二高压高频大功率三极管、第一超快速高压二极管和第二超快速高压二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻；宽频带运放的输入接输入控制单元，宽频带运放的输出经第一超快速高压二极管和第二超快速高压二极管后接第一高压高频大功率三极管和第二高压高频大功率三极管的基极，第一高压高频大功率三极管和第二高压高频大功率三极管的发射极经限流第五电阻和第六电阻连接到一起后把输出高压信号送到快速关断单元。

优选地，快速关断单元，包括由光耦隔离驱动芯片、耐压500V的N沟道金属氧化物半导体场效应管Q3、耐压500V的P沟道金属氧化物半导体场效应管Q4、第一耐压500V的二极管D3和第二耐压500V的二极管D4;光耦隔离驱动芯片U3和U4的输入接自主控单元5，U3的输出接Q3的栅极，U4的输出接Q4的栅极，高压放大单元2的输出分别经二极管D3和D4接Q3和Q4的漏极，高压放大单元2的输出与快速关断电3的输出相连。

优选地，信号检测单元，包括一个数模转换器和一个比较器；数模转换器的控制和数据信号来自主控单元，比较器的正向输入和反向输入接输入信号和的输出；主控单元设置数模转换器U5的输出作为比较器U6的检测门槛电平，U6检测到高于门槛电平的信号后，产出延时关断触发信号，送到控制主控单元5。

优选地，主控单元，由现场可编程门阵列编程实现，包括软核处理器、延时模块、关断脉冲宽度模块、数模转换器和键盘控制器；延时模块的输入连接到信号检测单元和软核处理器；关断脉冲宽度模块的输入连接到延时模块和软核处理器；数模转换控制器的输入连接到软核处理器；键盘控制器与键盘相连；主控单元利用键盘的输入参数设置的检测门槛电平、关断控制脉冲信号的延时和脉冲宽度，利用信号检测单元的输出产生快速关断单元的控制信号。

优选地，软核处理器由FPGA内部资源编程实现，利用键盘控制器的键盘输入信息，设置延时、关断控制脉冲信号和数模转换器控制的参数。

优选地，延时模块由计数器构成，在信号监测电路的延时关断触发信号启动下开始计数，当计数到设定值后，产生关断脉冲控制模块的启动信号，触发关断脉冲控制模块工作。最小时间计数单位是100ns。

优选地，关断脉冲宽度模块由计数器构成，在延时模块的启动下，输出关断脉冲控制信号，当达到设定脉冲宽度后，禁止关断控制脉冲信号输出。最小时间计数单位是100ns。

优选地，数模转换控制器由FPGA内部资源编程实现，利用键盘输入参数，设置信号检测单元的数模转换器U5的输出，设定信号检测单元内部比较器U6的门槛电平。

优选地，键盘控制器由FPGA内部资源编程实现，扫描键盘的输入信息，确定输入键码，把输入键码送给软核处理器；键盘与主控单元的键盘控制器连接，为主控单元提供信号检测门槛电平、关断控制脉冲信号的延时和宽度参数。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：不仅具有宽频放大作用，而且它的关断功能可以有效抑制由于声波换能器自身特性引起的激励信号拖尾，激励尾部震荡被有效地抑制，使得激励效果更加有效，提高激励性能。

附图说明

图1是带关断控制的声波激励信号放大器结构示意图；

图2是输入控制单元结构示意图；

图3是高压放大单元结构示意图；

图4是快速关断单元结构示意图。

图5是信号检测单元结构示意图；

图6是高压放大单元结构示意图；

图中1、输入控制单元，2、高压放大单元，3、快速关断单元，4、信号检测单元，5、主控单元，6、键盘。

具体实施方式

如图1所示，带关断控制的声波激励信号放大器，包括输入控制单元1、高压放大单元2、快速关断单元3、信号检测单元4、主控单元5和键盘6。输入信号与输入控制单元1和信号检测单元4相连，输入控制单元1的输出与高压放大单元2相连，高压放大单元2的输出与快速关断单元3相连，主控单元5与输入控制单元1、快速关断单元3、信号检测单元4和键盘6相连；主控单元5根据键盘6的输入，设置信号检测单元4信号检测门槛电平、输出输入控制单元1的输出和快速关断单元3的控制脉冲；高压放大单元2把输入控制单元1的输入放大以后送到快速关断单元3；信号检测单元3利用主控单元5设置的检测门槛电平与输入信号进行比较，当检测到高于门槛电平的信号后，产出延时关断触发信号送到控制主控单元5；快速关断单元3利用主控单元5的关断控制脉冲信号实现高压放大单元2输出信号的关断与导通，来实现激励信号拖尾的抑制。

如图2所示，输入控制单元1，包括一个高速低阻模拟开关U1，在主控单元5的控制下，为高压放大单元选择不同的输入信号。高速低阻模拟开关U1的两个输入分别接输入信号和接地，导通时，输入被接入高压放大单元，关断时，高压放大单元的输入接地。

如图3所示，高压放大单元2，包括一个300V宽频带运放U2、第一高压高频大功率三极管Q1和第二高压高频大功率三极管Q2、第一超快速高压二极管D1和第二超快速高压二极管D2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6。宽频带运放U2的输入接输入控制单元1，宽频带运放U2的输出经第一超快速高压二极管D1和第二超快速高压二极管D2后接第一高压高频大功率三极管Q1和第二高压高频大功率三极管Q2的基极，第一高压高频大功率三极管Q1和第二高压高频大功率三极管Q2的发射极经限流第五电阻R5和第六电阻R6连接到一起后把输出高压信号送到快速关断单元3。宽频带运放U2把小信号放大，最高幅度250V，第一高压高频大功率三极管Q1和第二高压高频大功率三极管Q2完成扩流功能。

如图4所示，快速关断单元3，包括由光耦隔离驱动芯片U3和U4、耐压500V的N沟道金属氧化物半导体场效应管Q3、耐压500V的P沟道金属氧化物半导体场效应管Q4、第一耐压500V的二极管D3和第二耐压500V的二极管D4。光耦隔离驱动芯片U3和U4的输入接自主控单元5，U3的输出接Q3的栅极，U4的输出接Q4的栅极，高压放大单元2的输出分别经二极管D3和D4接Q3和Q4的漏极，高压放大单元2的输出与快速关断电3的输出相连。快速关断单元3在主控单元5的作用下实现高压放大单元2输出的关断和打开控制。导通时，U3和U4控制Q3和Q4截止，高压放大单元2的输出信号接声波换能器；关断时，U3和U4控制Q3和Q4导通，高压放大单元的输出对地短路，无法激励换能器。二极管D3、D4的作用是输出打开时，禁止Q3、Q4内部的保护二极管导通。

如图5所示，信号检测单元4，包括一个数模转换器U5和一个比较器U6。数模转换器U5的控制和数据信号来自主控单元5，比较器U6的正向输入和反向输入接输入信号和U5的输出。主控单元5设置U6的输出作为比较器U6的检测门槛电平，U6检测到高于门槛电平的信号后，产出一个触发信号，送到控制主控单元5。

如图6所示，主控单元5，由现场可编程门阵列FPGA编程实现，包括软核处理器、延时模块、关断脉冲宽度模块、数模转换器和键盘控制器。延时模块的输入连接到信号检测单元4和软核处理器；关断脉冲宽度模块的输入连接到延时模块和软核处理器；数模转换控制器的输入连接到软核处理器；键盘控制器与键盘6相连。主控单元5利用键盘6的输入参数设置的检测门槛电平、关断延时和脉冲宽度，利用信号检测单元的输出产生快速关断单元的关断控制脉冲信号。

软核处理器由FPGA内部资源编程实现，利用键盘控制器的键盘输入信息，设置延时、关断脉冲宽度和数模转换器控制的参数。

延时模块由计数器构成，在信号监测电路的延时关断触发信号启动下开始计数，当计数到设定值后，产生关断脉冲控制模块的启动信号，触发关断脉冲控制模块工作。最小时间计数单位是100ns。

关断脉冲宽度模块由计数器构成，在延时模块的启动下，输出关断脉冲控制信号，当达到设定脉冲宽度后，禁止关断控制脉冲信号输出。最小时间计数单位是100ns。

数模转换控制器由FPGA内部资源编程实现，利用键盘输入参数，设置信号检测单元的数模转换器U5的输出，设定信号检测单元内部比较器U6的门槛电平。

键盘控制器由FPGA内部资源编程实现，扫描键盘的输入信息，确定输入键码，把输入键码送给软核处理器。

键盘6与主控单元5的键盘控制器连接，为主控单元提供信号检测门槛电平、关断脉冲控制信号的延时和宽度参数。

本发明的工作原理是：在放大器工作之前，首先要通过键盘6输入检测门槛电平、关断脉冲延时和宽度参数，确保正常工作。当主控单元5没有输出关断信号时，输入控制单元1选择输入信号，并把它送到高压放大单元2的输入端，高压放大单元2进行放大，产生高压大电流信号，通过快速关断单元3加到声波换能器上。当信号检测单元4检测到这个有效信号后，产生一个延时关断触发信号，送到主控单元5的延时模块。延时模块在延时关断触发信号的启动下，启动延时计数，当计数到设定值以后，产生一个关断触发信号，送给主控单元5的关断脉冲宽度模块。关断脉冲宽度模块被启动以后，产生一个设定宽度的高电平关断控制脉冲信号，同时该信号也控制输入控制单元1关断输入。快速关断电路3在关断控制脉冲信号变高后，输入控制单元的输出选择地，高压放大单元2的输入接地，快速关断单元3的Q3和Q4导通，把高压放大单元2输出对地短路，输出被关断，换能器的两个输入线被短路，激励信号拖尾得到抑制；当关断控制脉冲信号变低失效后，输入控制单元1也选择输入信号，高压放大单元2接输入信号，快速关断单元3的Q3和Q4截止，高压放大单元2的高压输出信号能够加到换能器上，输出被打开，本次工作循环结束。放大器开始进行新信号检测和放大。

Claims

1.一种带关断控制的声波激励信号放大器，包括输入控制单元、高压放大单元、快速关断单元、信号检测单元、主控单元和键盘，其特征在于：输入信号与输入控制单元和信号检测单元相连，输入控制单元的输出与高压放大单元相连，高压放大单元的输出与快速关断单元相连，主控单元与输入控制单元、快速关断单元、信号检测单元和键盘相连；主控单元根据键盘的输入，设置信号检测单元信号检测门槛电平、输出输入控制单元输出和快速关断单元的控制脉冲；高压放大单元把输入控制单元的输入放大以后送到快速关断单元；信号检测单元利用主控单元设置的检测门槛电平与输入信号进行比较，当检测到高于门槛电平的信号后，产出延时关断触发信号送到控制主控单元；快速关断单元利用主控单元的关断控制脉冲信号实现高压放大单元输出信号的关断与导通，来实现激励信号拖尾的抑制。

2.根据权利要求1所述的带关断控制的声波激励信号放大器，其特征在于：输入控制单元，包括一个高速低阻模拟开关，在主控单元的控制下，向高压放大单元输出不同的信号；所述高速低阻模拟开关的两个输入分别接输入信号和接地，导通时，输入信号被输入高压放大单元，关断时，高压放大单元的输入接地。

3.根据权利要求1或2所述的带关断控制的声波激励信号放大器，其特征在于：所述高压放大单元，包括一个300V宽频带运放、第一高压高频大功率三极管和第二高压高频大功率三极管、第一超快速高压二极管和第二超快速高压二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻；所述宽频带运放的输入接输入控制单元，所述宽频带运放的输出经第一超快速高压二极管和第二超快速高压二极管后接第一高压高频大功率三极管和第二高压高频大功率三极管的基极，第一高压高频大功率三极管和第二高压高频大功率三极管的发射极经限流第五电阻和第六电阻连接到一起后把输出高压信号送到快速关断单元。

4.根据权利要求1-3所述的带关断控制的声波激励信号放大器，其特征在于：所述快速关断单元，包括由光耦隔离驱动芯片、耐压500V的N沟道金属氧化物半导体场效应管、耐压500V的P沟道金属氧化物半导体场效应管、第一耐压500V的二极管和第二耐压500V的二极管；光耦隔离驱动芯片的输入接自主控单元，输出接两片金属氧化物半导体场效应管的栅极；高压放大单元的输出分别经二极管后接两片金属氧化物半导体场效应管的漏极。

5.根据权利要求1-4所述的带关断控制的声波激励信号放大器，其特征在于：所述信号检测单元，包括一个数模转换器和一个比较器；数模转换器的控制和数据信号来自主控单元，比较器的正向输入和反向输入接输入信号和的输出；主控单元设数模转换器的输出作为比较器的检测门槛电平，比较器检测到高于门槛电平的信号后，产生延时关断触发信号，送到控制主控单元。

6.根据权利要求1-5所述的带关断控制的声波激励信号放大器，其特征在于：所述主控单元，由现场可编程门阵列编程实现，包括软核处理器、延时模块、关断脉冲宽度模块、数模转换器和键盘控制器；延时模块的输入连接到信号检测单元和软核处理器；关断脉冲宽度模块的输入连接到延时模块和软核处理器；数模转换控制器的输入连接到软核处理器，输出连接到信号检测单元；键盘控制器与键盘相连；主控单元利用键盘的输入参数设置检测门槛电平、关断控制脉冲信号的延时和脉冲宽度，利用信号检测单元的输出产生快速关断单元的关断控制脉冲信号。

7.根据权利要求1-6所述的带关断控制的声波激励信号放大器，其特征在于：所述软核处理器由FPGA内部资源编程实现，利用键盘控制器的键盘输入信息，设置延时、关断脉冲宽度和数模转换器控制的参数；延时模块由计数器构成，在信号监测单元的延时关断触发信号启动下开始计数，当计数到设定值后，产生关断脉冲宽度模块的启动信号，触发关断脉冲宽度模块工作，最小时间计数单位是100ns。

8.根据权利要求1-7所述的带关断控制的声波激励信号放大器，其特征在于：关断脉冲宽度模块由计数器构成，在延时模块的启动下，输出关断脉冲控制信号，当达到设定脉冲宽度后，禁止关断控制脉冲信号输出，最小时间计数单位是100ns。

9.根据权利要求1-8所述的带关断控制的声波激励信号放大器，其特征在于：所述数模转换控制器由FPGA内部资源编程实现，利用键盘输入参数，设置信号检测单元的数模转换器的输出，设定信号检测单元内部比较器的门槛电平。

10.根据权利要求1-9所述的带关断控制的声波激励信号放大器，其特征在于：键盘控制器由FPGA内部资源编程实现，扫描键盘的输入信息，确定输入键码，把输入键码送给软核处理器；键盘与主控单元的键盘控制器连接，为主控单元提供信号检测门槛电平、关断脉冲控制信号的延时和宽度参数。