CN116008995A - 一种小型便携式水下定位信号发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型便携式水下定位信号发生装置，包括信号产生发射电路，信号产生发射电路包括三个逻辑门、四个电容、八各电阻、十九个晶体管、电源、入水检测传感器、变压器和超声波换能器，没有使用可编程处理器、晶体振荡器等复杂电路，使用的器件较少，无需复杂的编程和烧写工作，同时，超声波信号的脉冲频率和发射频率均可通过内部电阻进行快速调谐，多处采用低功耗设计，变压器的初级线圈不会直接与电源导通而导致瞬时的短路；优点是在兼具小型化和低成本，便于人员和小目标物体携带的同时，通过发射超声波信号进行定位，具有较高定位精度，在人员和小目标物体落水后，能够提供精度高的落水位置坐标，从而缩短救援时间，提高救援成功率。

Description

一种小型便携式水下定位信号发生装置

技术领域

本发明涉及水下定位信号发生装置，尤其是涉及一种小型便携式水下定位信号发生装置。

背景技术

在船舶、飞机等在海面上失事后，开展搜救工作需要获得失事地点的坐标以及搜救目标的坐标。目前，失事地点的坐标以及搜救目标的坐标主要由船舶、飞机搭载的应急示位标系统与黑匣子提供。应急示位标系统采用无线电通信方式，通过发射无线电求救信号提供水下搜救目标的大致位置；黑匣子则由其搭载的水下信标系统发射超声波信号，提供水下搜救目标的大致位置。但是这两种搜救方式主要针对的是船舶、飞机等大型载具，对于在船舶、飞机等大型载具失事后，从船舶、飞机等大型载具处掉落至其他地方的落水人员和小目标落水物体搜救没有帮助。从近些年来一些惨痛的水上空中交通事故造成的人员伤亡失踪情况来看，对于落水人员的搜救能力提升是迫在眉睫的。

近些年来，出现了一些针对落水人员而设计的搜救设备。这些搜救设备大多是通过船舶应急示位标系统小型化演变而来，也是通过发送无线电求救信号提供落水人员的位置坐标信息至附近船舶，以便开展搜救工作。这些搜救设备能够实现小型化和低成本，便于人员和小目标落水物体携带。由于无线电产生的电磁波在水中传播会受到极大的衰减，无法进行长距离通信，为了进行长距离通信，这些类型搜救设备通常会配备一根较长能够伸出水面的天线；而海面时常会伴有风浪，天线会随着风浪而晃动，天线发射角度受到较大影响，以致其发射的无线信号受到衰减，这些类型搜救设备的定位精度还有较大的提升空间。

声波属于机械波，相对于电磁波在水中衰减较小，能够传播很远的距离，通过配备一个发射超声波信号的定位系统，能够有效弥补上述无线电搜救设备的缺点，提高救援成功率，减少人员伤亡失踪。水下信标系统是黑匣子的主要功能设备，其通过电路驱动超声波换能器，发出超声波信号，救援船舶则可通过声呐探测到黑匣子发射的超声波信号从而定位目标。虽然水下信标系统的定位精度相对于应急示位标系统更高，但是船舶、飞机使用的黑匣子不但体积庞大、重量较大，仅其水下信标系统就重达1公斤以上，这显然是无法随身携带的，而且黑匣子的水下信标系统设计多采用微处理器，生产调试需要编写代码、烧录等工作，不仅工序复杂，而且一旦出现处理器死机等情况则是非常危险的情况；另外黑匣子设计是为大型船舶、飞机救援用，其整体造价高昂，一套完整设备动辄10万元以上，这显然也是不适合大量民用使用的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在兼具小型化和低成本，便于人员和小目标物体携带的同时，还具有较高定位精度，在人员和小目标物体落水后，能够提供精度高的落水位置坐标，从而缩短救援时间，提高救援成功率的便携式水下定位信号发生装置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种小型便携式水下定位信号发生装置，包括信号产生发射电路，所述的信号产生发射电路包括第一逻辑门、第二逻辑门、第三逻辑门、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管、第九晶体管、第十晶体管、第十一晶体管、第十二晶体管、第十三晶体管、第十四晶体管、第十五晶体管、第十六晶体管、第十七晶体管、第十八晶体管、第十九晶体管、电源、入水检测传感器、变压器和超声波换能器；所述的第一电容、所述的第二电容、所述的第三电容和所述的第四电容均为充电电容，所述的第四电阻和所述的第八电阻为可调电阻，所述的第一晶体管为PNP型三极管，所述的第二晶体管、所述的第三晶体管、所述的第四晶体管、所述的第七晶体管、所述的第十晶体管、所述的第十一晶体管、所述的第十二晶体管、所述的第十三晶体管和所述的第十七晶体管均为增强型PMOS管，所述的第五晶体管、所述的第六晶体管、所述的第八晶体管、所述的第九晶体管、所述的第十四晶体管、所述的第十五晶体管、所述的第十六晶体管、所述的第十八晶体管和所述的第十九晶体管均为增强型NMOS管，所述的变压器具有初级线圈和次级线圈，所述的第一逻辑门为二输入异或门，具有两个输入端和一个输出端，所述的第二逻辑门和所述的第三逻辑门均为二输入与门，具有两个输入端和一个输出端，将所述的第一逻辑门、所述的第二逻辑门和所述的第三逻辑门的两个输入端均称为第一输入端和第二输入端；所述的入水检测传感器的一端和所述的第一晶体管的基极连接，所述的第一晶体管的集电极、所述的第一电阻的一端和所述的第一逻辑门的第一输入端连接，所述的第一电阻的另一端、所述的第一电容的正极、所述的第三电阻的一端、所述的第一逻辑门的第二输入端和所述的第二逻辑门的第二输入端连接，所述的第一逻辑门的输出端和所述的第二逻辑门的第一输入端连接，所述的第三电阻的另一端、和所述的第十晶体管的源极分别与所述的电源的正极连接，所述的第二逻辑门的输出端分别与所述的第二电阻的一端、所述的第四电阻的一端、所述的第二晶体管的源极、所述的第三晶体管的源极、所述的第四晶体管的源极、第六电阻的一端、第七电阻的一端、第八电阻的一端、所述的第七晶体管的源极、所述的第十一晶体管的源极、所述的第十二晶体管的源极、所述的第十三晶体管的源极、所述的第十七晶体管的源极和所述的第十八晶体管的漏极连接，所述的第四电阻的另一端、所述的第五电阻的一端和所述的第八晶体管的漏极连接，所述的第二晶体管的栅极、所述的第三晶体管的栅极、所述的第三晶体管的漏极和所述的第五晶体管的漏极连接，所述的第二晶体管的漏极、所述的第六晶体管的漏极和所述的第四晶体管的栅极连接，所述的第四晶体管的漏极、所述的第八晶体管的栅极、所述的第九晶体管的漏极和所述的第三逻辑门的第一输入端连接，所述的第五晶体管的栅极和所述的第二电阻的另一端连接，所述的第六晶体管的栅极、所述的第五电阻的另一端、所述的第二电容的正极和所述的第七晶体管的栅极连接，所述的第七晶体管的漏极和所述的第九晶体管的栅极连接，所述的第十一晶体管的栅极、所述的第十二晶体管的栅极、所述的第十二晶体管的漏极和所述的第十五晶体管的漏极连接，所述的第十一晶体管的漏极、所述的第十六晶体管的漏极和所述的第十三晶体管的栅极连接，所述的第十三晶体管的漏极、所述的第十八晶体管的栅极、所述的第十九晶体管的漏极和所述的第三逻辑门的第二输入端连接，所述的第十五晶体管的栅极和所述的第七电阻的另一端连接，所述的第十六晶体管的栅极、所述的第八电阻的另一端、所述的第四电容的正极和所述的第十七晶体管的栅极连接，所述的第十七晶体管的漏极和所述的第十九晶体管的栅极连接，所述的第六电阻的另一端、所述的第三逻辑门的输出端、所述的第十晶体管的栅极和所述的第十四晶体管的栅极连接，所述的第十晶体管的漏极、所述的第十四晶体管的漏极和所述的第三电容的正极连接，所述的第三电容的负极和所述的变压器的初级线圈的一端连接，所述的变压器的次级线圈的两端和所述的超声波换能器的两端连接；所述的入水检测传感器的另一端、所述的第一晶体管的发射极、所述的第一电容的负极、所述的电源的负极、所述的第二电容的负极、所述的第四电容的负极、所述的第五晶体管的源极、所述的第六晶体管的源极、所述的第八晶体管的源极、所述的第九晶体管的源极、所述的第十四晶体管的源极、所述的第十五晶体管的源极、所述的第十六晶体管的源极、所述的第十八晶体管的源极、所述的第十九晶体管的源极和所述的变压器的初级线圈的另一端均接地。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过第一逻辑门、第二逻辑门、第三逻辑门、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管、第九晶体管、第十晶体管、第十一晶体管、第十二晶体管、第十三晶体管、第十四晶体管、第十五晶体管、第十六晶体管、第十七晶体管、第十八晶体管、第十九晶体管、电源、入水检测传感器、变压器和超声波换能器构成信号产生发射电路；第一逻辑门、第二逻辑门、第一电阻、第三电阻、第一晶体管、第一电容、入水检测传感器和电源构成信号产生发射电路的供电模块；入水检测传感器与第一晶体管、第一电阻、第一电容和第一逻辑门共同组成信号产生发射电路的入水检模块；第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第二电阻、第四电阻、第五晶体管、第六晶体管、第五电阻、第二电容、第七晶体管、第八晶体管和第九晶体管构成信号产生发射电路的第一个放大模块，第二晶体管和第三晶体管构成第一个放大模块的电流源，第二电阻和第五晶体管构成第一个放大模块的控制开关，用于控制第一路电流源的通断，第四电阻、第五电阻、第二电容和第六晶体管构成第一个放大模块的放大电路，第四晶体管、第七晶体管和第九晶体管构成第一个放大模块的输出电路，第八晶体管构成第一个放大模块的反馈电路，第一个放大模块的电流源用于为第一个放大模块的放大电路提供静态电流，第十一晶体管、第十二晶体管、第七电阻、第十五晶体管、第八电阻、第四电容、第十六晶体管、第十三晶体管、第十七晶体管、第十八晶体管和第十九晶体管构成信号产生发射电路的第二个放大模块，第十一晶体管和第十二晶体管组第二个放大模块的电流源，第七电阻和第十五晶体管构成第二个放大模块的控制开关，用于控制第二个放大模块的电流源的通断，第八电阻、第四电容、第十六晶体管构成第二个放大模块的放大电路，第二个放大模块的电流源用于为第二个放大模块的放大电路提供静态电流，第十三晶体管、第十七晶体管和第十九晶体管构成第二个放大模块的输出电路，第十八晶体管构成第二个放大模块的反馈电路；第三逻辑门、第六电阻、第十晶体管、第十四晶体管、第三电容、变压器和超声波换能器构成信号产生发射电路的输出模块；当小型便携式水下定位信号发生装置进入水中时，入水检测传感器检测到水压信号后，入水检测传感器的一端输出等同于逻辑0的低电平信号，此时第一晶体管导通，由于第一晶体管的集电极与第一逻辑门的第一输入端相连，此时第一逻辑门的第一输入端接入的信号Us1为低电平，电源供电，通过第三电阻和第一电容在第一逻辑门的第二输入端与第二逻辑门的第二输出端产生信号Us2，信号Us2为高电平，第一逻辑门对其两个输入端接入的信号Us1和Us2进行异或逻辑运算，产生信号Us3在其输出端输出，第二逻辑门对其两个输入端接入的信号Us2和Us3进行与逻辑运算，产生信号Us4在其输出端输出，为第一个放大模块和第二个放大模块供电，此时第一个放大模块的电流源和第二个放大电路的电流源均开始供电；在第一个放大模块的电流源开始供电时，第一个放大模块的电流源输出的电流通过第二电阻在第五晶体管的栅极上产生高电平，使第五晶体管开启，第五晶体管的源极和漏极导通，与第五晶体管相连的第二晶体管的栅极和第三晶体管的栅极为低电平，开启导通状态，第二晶体管和第三晶体管导通，第二晶体管和第六晶体管形成直流通路，第三晶体管和第五晶体管形成直流通路，由于第二电容充电，产生滞后作用，第二电容的正极产生交流信号Ui1,该交流信号Ui1同时输入至第六晶体管的栅极和第七晶体管的栅极，该交流信号Ui1通过第六晶体管放大后，由第六晶体管的漏级输出至第一个放大模块的输出电路，此时第一个放大模块的输出电路输出电压Uo1至第三逻辑门的第一输入端，由于第一个放大模块的放大电路自身为开环，其增益极大，第六晶体管工作在饱和区，所以交流信号Ui1可在极短时间内放大至饱和并通过第六晶体管的源极输出至第四晶体管的栅极，从而第四晶体管的漏极输出电压Uo1，电压Uo1通过第八晶体管反馈至第五电阻，产生反馈信号Ui1’,反馈信号Ui1’来源于第二电容放电作用，当第二电容电荷释放完毕后，第六晶体管的栅极电压变为低电平，第一个放大模块的放大电路关闭，第四晶体管的漏极输出低电平，第八晶体管关闭，因而重新开始对第二电容进行充电，由于反馈信号Ui1’与该交流信号Ui1方向相反，相位相差90°，反馈信号Ui1’与该交流信号Ui1叠加后即可得到周期性震荡信号，由于第六晶体管工作在饱和区，故得到的电压Uo1为方波波形；同理，在第二个放大模块的电流源开始供电时，第二个放大模块的电流源输出的电流通过第七电阻在第十五晶体管的栅极上产生高电平，使第十五晶体管开启，第十五晶体管的源极和漏极导通，与第十五晶体管相连的第十一晶体管的栅极和第十二晶体管的栅极为低电平，开启导通状态，第十一晶体管和第十二晶体管导通，第十一晶体管和第十六晶体管形成直流通路，第十二晶体管和第十五晶体管形成直流通路，由于第四电容充电，产生滞后作用，第四电容的正极产生交流信号Ui2,该交流信号Ui2同时输入至第十六晶体管的栅极和第十七晶体管的栅极，该交流信号Ui2通过第十六晶体管放大后，由第十六晶体管的漏级输出至第二个放大模块的输出电路，此时第二个放大模块的输出电路输出电压Uo2至第三逻辑门的第二输入端，由于第二个放大模块的放大电路自身为开环，其增益极大，第十六晶体管工作在饱和区，所以交流信号Ui2可在极短时间内放大至饱和并通过第十六晶体管的源极输出至第十三晶体管的栅极，从而第十三晶体管的漏极输出电压Uo2，电压Uo2通过第十八晶体管反馈至第八电阻，产生反馈信号Ui2’,反馈信号Ui2’来源于第四电容放电作用，当第二电容电荷释放完毕后，第十六晶体管的栅极电压变为低电平，第二个放大模块的放大电路关闭，第十三晶体管的漏极输出低电平，第十八晶体管关闭，因而重新开始对第四电容进行充电，由于反馈信号Ui2’与该交流信号Ui2方向相反，相位相差90°，反馈信号Ui2’与该交流信号Ui2叠加后即可得到周期性震荡信号，由于第十六晶体管工作在饱和区，故得到的电压Uo2为方波波形；第三逻辑门对其两个输入端接入的电压Uo1与Uo2进行与逻辑运算，得到电压Uo3在其输出端输出，第六电阻为第三逻辑门输出提供稳定的上拉电压，由于第十晶体管为增强型PMOS管，第十四晶体管为增强型NMOS管，第十晶体管与第十四晶体管在电压Uo3的驱动下交替开启，组成推挽驱动电路，第三电容与变压器的初级线圈组成驱动前级，当第十晶体管开启、第十四晶体管关闭时，第三电容充电，当第十晶体管关闭、第十四晶体管开启时，第三电容放电，电流通过变压器的初级线圈传导至其次级线圈，变压器的次级线圈驱动超声波换能器，超声波换能器产生超声波信号发射出去；本发明没有使用可编程处理器、晶体振荡器等复杂电路即可生成所需的脉冲串信号(即超声波信号)，整体使用的器件较少，能够做到小体积轻量化；无需复杂的编程和烧写工作，生产工序简便，同时，脉冲串信号的脉冲频率和发射频率均可通过第四电阻和第八电阻进行快速调谐，便于对不同频率需求的场景进行调整，另外，多处采用低功耗设计：入水检测模块在未入水时仅存在第一晶体管的射极和源极的漏电流；脉冲串信号的生成为上电瞬间的电流冲击信号，由于第八晶体管构成的反馈电路和第十八晶体管构成的反馈电路为正反馈，所以信号产生发射电路的两个放大模块开始周期性振荡后，可以通过自身的自激振荡达到所需的信号量，不需要额外采用晶体振荡器来稳定频率；信号产生发射电路的输出模块采用了直流隔离的设计方式，区别于一般非隔离的设计，变压器的初级线圈不会直接与电源导通，导致瞬时的短路，减小了功率损耗，保护电源寿命，由此本发明在兼具小型化和低成本，便于人员和小目标物体携带的同时，通过发射超声波信号进行定位，具有较高定位精度，在人员和小目标物体落水后，能够提供精度高的落水位置坐标，从而缩短救援时间，提高救援成功率。

附图说明

图1为本发明的小型便携式水下定位信号发生装置的电路图；

图2为本发明的小型便携式水下定位信号发生装置的信号时序图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：如图1所示，一种小型便携式水下定位信号发生装置，包括信号产生发射电路，信号产生发射电路包括第一逻辑门U1、第二逻辑门U2、第三逻辑门U3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、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、第七电阻R7、第八电阻R8、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第七晶体管Q7、第八晶体管Q8、第九晶体管Q9、第十晶体管Q10、第十一晶体管Q11、第十二晶体管Q12、第十三晶体管Q13、第十四晶体管Q14、第十五晶体管Q15、第十六晶体管Q16、第十七晶体管Q17、第十八晶体管Q18、第十九晶体管Q19、电源B1、入水检测传感器S1、变压器T1和超声波换能器T2；第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4均为充电电容，第四电阻R4和第八电阻R8为可调电阻，第一晶体管Q1为PNP型三极管，第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第七晶体管Q7、第十晶体管Q10、第十一晶体管Q11、第十二晶体管Q12、第十三晶体管Q13和第十七晶体管Q17均为增强型PMOS管，第五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第八晶体管Q8、第九晶体管Q9、第十四晶体管Q14、第十五晶体管Q15、第十六晶体管Q16、第十八晶体管Q18和第十九晶体管Q19均为增强型NMOS管，变压器T1具有初级线圈和次级线圈，第一逻辑门U1为二输入异或门，具有两个输入端和一个输出端，第二逻辑门U2和第三逻辑门U3均为二输入与门，具有两个输入端和一个输出端，将第一逻辑门U1、第二逻辑门U2和第三逻辑门U3的两个输入端均称为第一输入端和第二输入端；入水检测传感器S1的一端和第一晶体管Q1的基极连接，第一晶体管Q1的集电极、第一电阻R1的一端和第一逻辑门U1的第一输入端连接，第一电阻R1的另一端、第一电容C1的正极、第三电阻R3的一端、第一逻辑门U1的第二输入端和第二逻辑门U2的第二输入端连接，第一逻辑门U1的输出端和第二逻辑门U2的第一输入端连接，第三电阻R3的另一端、和第十晶体管Q10的源极分别与电源B1的正极连接，第二逻辑门U2的输出端分别与第二电阻R2的一端、第四电阻R4的一端、第二晶体管Q2的源极、第三晶体管Q3的源极、第四晶体管Q4的源极、第六电阻R6的一端、第七电阻R7的一端、第八电阻R8的一端、第七晶体管Q7的源极、第十一晶体管Q11的源极、第十二晶体管Q12的源极、第十三晶体管Q13的源极、第十七晶体管Q17的源极和第十八晶体管Q18的漏极连接，第四电阻R4的另一端、第五电阻R5的一端和第八晶体管Q8的漏极连接，第二晶体管Q2的栅极、第三晶体管Q3的栅极、第三晶体管Q3的漏极和第五晶体管Q5的漏极连接，第二晶体管Q2的漏极、第六晶体管Q6的漏极和第四晶体管Q4的栅极连接，第四晶体管Q4的漏极、第八晶体管Q8的栅极、第九晶体管Q9的漏极和第三逻辑门U3的第一输入端连接，第五晶体管Q5的栅极和第二电阻R2的另一端连接，第六晶体管Q6的栅极、第五电阻R5的另一端、第二电容C2的正极和第七晶体管Q7的栅极连接，第七晶体管Q7的漏极和第九晶体管Q9的栅极连接，第十一晶体管Q11的栅极、第十二晶体管Q12的栅极、第十二晶体管Q12的漏极和第十五晶体管Q15的漏极连接，第十一晶体管Q11的漏极、第十六晶体管Q16的漏极和第十三晶体管Q13的栅极连接，第十三晶体管Q13的漏极、第十八晶体管Q18的栅极、第十九晶体管Q19的漏极和第三逻辑门U3的第二输入端连接，第十五晶体管Q15的栅极和第七电阻R7的另一端连接，第十六晶体管Q16的栅极、第八电阻R8的另一端、第四电容C4的正极和第十七晶体管Q17的栅极连接，第十七晶体管Q17的漏极和第十九晶体管Q19的栅极连接，第六电阻R6的另一端、第三逻辑门U3的输出端、第十晶体管Q10的栅极和第十四晶体管Q14的栅极连接，第十晶体管Q10的漏极、第十四晶体管Q14的漏极和第三电容C3的正极连接，第三电容C3的负极和变压器T1的初级线圈的一端连接，变压器T1的次级线圈的两端和超声波换能器T2的两端连接；入水检测传感器S1的另一端、第一晶体管Q1的发射极、第一电容C1的负极、电源B1的负极、第二电容C2的负极、第四电容C4的负极、第五晶体管Q5的源极、第六晶体管Q6的源极、第八晶体管Q8的源极、第九晶体管Q9的源极、第十四晶体管Q14的源极、第十五晶体管Q15的源极、第十六晶体管Q16的源极、第十八晶体管Q18的源极、第十九晶体管Q19的源极和变压器T1的初级线圈的另一端均接地。

本实施例中，电源B1为电池组。

本实施例中，第一逻辑门U1、第二逻辑门U2、第一电阻R1、第三电阻R3、第一晶体管Q1、第一电容C1、入水检测传感器S1和电源B1构成信号产生发射电路的供电模块；入水检测传感器S1与第一晶体管Q1、第一电阻R1、第一电容C1和第一逻辑门U1共同组成信号产生发射电路的入水检模块；第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第二电阻R2、第四电阻R4、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第五电阻R5、第二电容C2、第七晶体管Q7、第八晶体管Q8和第九晶体管Q9构成信号产生发射电路的第一个放大模块，第二晶体管Q2和第三晶体管Q3构成第一个放大模块的电流源，第二电阻R2和第五晶体管Q5构成第一个放大模块的控制开关，用于控制第一路电流源的通断，第四电阻R4、第五电阻R5、第二电容C2和第六晶体管Q6构成第一个放大模块的放大电路，第四晶体管Q4、第七晶体管Q7和第九晶体管Q9构成第一个放大模块的输出电路，第八晶体管Q8构成第一个放大模块的反馈电路，第一个放大模块的电流源用于为第一个放大模块的放大电路提供静态电流，第十一晶体管Q11、第十二晶体管Q12、第七电阻R7、第十五晶体管Q15、第八电阻R8、第四电容C4、第十六晶体管Q16、第十三晶体管Q13、第十七晶体管Q17、第十八晶体管Q18和第十九晶体管Q19构成信号产生发射电路的第二个放大模块，第十一晶体管Q11和第十二晶体管Q12组第二个放大模块的电流源，第七电阻R7和第十五晶体管Q15构成第二个放大模块的控制开关，用于控制第二个放大模块的电流源的通断，第八电阻R8、第四电容C4、第十六晶体管Q16构成第二个放大模块的放大电路，第二个放大模块的电流源用于为第二个放大模块的放大电路提供静态电流，第十三晶体管Q13、第十七晶体管Q17和第十九晶体管Q19构成第二个放大模块的输出电路，第十八晶体管Q18构成第二个放大模块的反馈电路；第三逻辑门U3、第六电阻R6、第十晶体管Q10、第十四晶体管Q14、第三电容C3、变压器T1和超声波换能器T2构成信号产生发射电路的输出模块；当小型便携式水下定位信号发生装置进入水中时，入水检测传感器S1检测到水压信号后，入水检测传感器S1的一端输出等同于逻辑0的低电平信号(，此时第一晶体管Q1导通，由于第一晶体管Q1的集电极与第一逻辑门U1的第一输入端相连，此时第一逻辑门U1的第一输入端接入的信号Us1为低电平，电源B1供电，通过第三电阻R3和第一电容C1在第一逻辑门U1的第二输入端与第二逻辑门U2的第二输出端产生信号Us2，信号Us2为高电平，第一逻辑门U1对其两个输入端接入的信号Us1和Us2进行异或逻辑运算，产生信号Us3在其输出端输出，第二逻辑门U2对其两个输入端接入的信号Us2和Us3进行与逻辑运算，产生信号Us4在其输出端输出，为第一个放大模块和第二个放大模块供电，此时第一个放大模块的电流源和第二个放大电路的电流源均开始供电；在第一个放大模块的电流源开始供电时，第一个放大模块的电流源输出的电流通过第二电阻R2在第五晶体管Q5的栅极上产生高电平，使第五晶体管Q5开启，第五晶体管Q5的源极和漏极导通，与第五晶体管Q5相连的第二晶体管Q2的栅极和第三晶体管Q3的栅极为低电平，开启导通状态，第二晶体管Q2和第三晶体管Q3导通，第二晶体管Q2和第六晶体管Q6形成直流通路，第三晶体管Q3和第五晶体管Q5形成直流通路，由于第二电容C2充电，产生滞后作用，第二电容C2的正极产生交流信号Ui1,该交流信号Ui1同时输入至第六晶体管Q6的栅极和第七晶体管Q7的栅极，该交流信号Ui1通过第六晶体管Q6放大后，由第六晶体管Q6的漏级输出至第一个放大模块的输出电路，此时第一个放大模块的输出电路输出电压Uo1至第三逻辑门U3的第一输入端，由于第一个放大模块的放大电路自身为开环，其增益极大，第六晶体管Q6工作在饱和区，所以交流信号Ui1可在极短时间内放大至饱和并通过第六晶体管Q6的源极输出至第四晶体管Q4的栅极，从而第四晶体管Q4的漏极输出电压Uo1，电压Uo1通过第八晶体管Q8反馈至第五电阻R5，产生反馈信号Ui1’,反馈信号Ui1’来源于第二电容C2放电作用，当第二电容C2电荷释放完毕后，第六晶体管Q6的栅极电压变为低电平，第一个放大模块的放大电路关闭，第四晶体管Q4的漏极输出低电平，第八晶体管Q8关闭，因而重新开始对第二电容C2进行充电，由于反馈信号Ui1’与该交流信号Ui1方向相反，相位相差90°，反馈信号Ui1’与该交流信号Ui1叠加后即可得到周期性震荡信号，由于第六晶体管Q6工作在饱和区，故得到的电压Uo1为方波波形；同理，在第二个放大模块的电流源开始供电时，第二个放大模块的电流源输出的电流通过第七电阻R7在第十五晶体管Q15的栅极上产生高电平，使第十五晶体管Q15开启，第十五晶体管Q15的源极和漏极导通，与第十五晶体管Q15相连的第十一晶体管Q11的栅极和第十二晶体管Q12的栅极为低电平，开启导通状态，第十一晶体管Q11和第十二晶体管Q12导通，第十一晶体管Q11和第十六晶体管Q16形成直流通路，第十二晶体管Q12和第十五晶体管Q15形成直流通路，由于第四电容C4充电，产生滞后作用，第四电容C4的正极产生交流信号Ui2,该交流信号Ui2同时输入至第十六晶体管Q16的栅极和第十七晶体管Q17的栅极，该交流信号Ui2通过第十六晶体管Q16放大后，由第十六晶体管Q16的漏级输出至第二个放大模块的输出电路，此时第二个放大模块的输出电路输出电压Uo2至第三逻辑门U3的第二输入端，由于第二个放大模块的放大电路自身为开环，其增益极大，第十六晶体管Q16工作在饱和区，所以交流信号Ui2可在极短时间内放大至饱和并通过第十六晶体管Q16的源极输出至第十三晶体管Q13的栅极，从而第十三晶体管Q13的漏极输出电压Uo2，电压Uo2通过第十八晶体管Q18反馈至第八电阻R8，产生反馈信号Ui2’,反馈信号Ui2’来源于第四电容C4放电作用，当第二电容C2电荷释放完毕后，第十六晶体管Q16的栅极电压变为低电平，第二个放大模块的放大电路关闭，第十三晶体管Q13的漏极输出低电平，第十八晶体管Q18关闭，因而重新开始对第四电容C4进行充电，由于反馈信号Ui2’与该交流信号Ui2方向相反，相位相差90°，反馈信号Ui2’与该交流信号Ui2叠加后即可得到周期性震荡信号，由于第十六晶体管Q16工作在饱和区，故得到的电压Uo2为方波波形；第三逻辑门U3对其两个输入端接入的电压Uo1与Uo2进行与逻辑运算，得到电压Uo3在其输出端输出，第六电阻R6为第三逻辑门U3输出提供稳定的上拉电压，由于第十晶体管Q10为增强型PMOS管，第十四晶体管Q14为增强型NMOS管，第十晶体管Q10与第十四晶体管Q14在电压Uo3的驱动下交替开启，组成推挽驱动电路，第三电容C3与变压器T1的初级线圈组成驱动前级，当第十晶体管Q10开启、第十四晶体管Q14关闭时，第三电容C3充电，当第十晶体管Q10关闭、第十四晶体管Q14开启时，第三电容C3放电，电流通过变压器T1的初级线圈传导至其次级线圈，变压器T1的次级线圈驱动超声波换能器T2，超声波换能器T2产生超声波信号发射出去。

为验证本发明的小型便携式水下定位信号发生装置的功能，对其信号流输出进行如下分析：

1.入水检测逻辑采用式(1)表示为：

式(1)中，

为异或运算符号，·为与运算符号。

当电源供电正常时：Us2＝Us3＝1，当入水检测传感器S1入水时，入水检测传感器S1检测到水压信号后，入水检测传感器S1的一端输出等同于逻辑0的低电平信号，即Us1＝0；代入式(1)即可得：当Us4＝1时，小型便携式水下定位信号发生装置的供电模块开始供电，小型便携式水下定位信号发生装置进入工作状态，否则小型便携式水下定位信号发生装置处于断电休眠状态。

2.第四电阻R4、第五电阻R5和第二电容C2构成RC震荡电路，RC震荡电路输出的交流信号Ui1为第二电容C2的正极和负极之间的电压，由电容充电时间特性可知，交流信号Ui1的震荡频率f1和周期t1的计算公式分别为：

其中，τ＝RC＝(R₄+R₅)C₂，R₄表示第四电阻R4的阻值，R₅表示第五电阻R5的阻值，C₂表示第二电容C2的容值，π表示圆周率。

第八晶体管Q8引入的反馈回路，由第五电阻R5和第二电容C2构成震荡电路，该震荡电路中，反馈信号Ui1’的震荡频率f2和震荡周期t2的计算公式分别为：

第八晶体管Q8的反馈信号Ui1’在第二电容C2上有相位差90°，故输出电压Uo1的周期T1和占空比D1的计算公式分别为

T1＝t1+t2                  (6)

将公式(3)和公式(5)代入公式(6)、公式(7)，输出电压Uo1的周期T1、频率fo1和占空比D1公式为：

T1＝2π(R₄+2R₅)C₂                  (8)

由此可得，通过改变第四电阻R4的阻值即可快速调整震荡信号的频率与占空比。

同理，第八电阻R8、第四电容C4也构成RC震荡电路，输出电压Uo2的频率fo2和占空比D2的计算公式为：

3.电压Uo1与电压Uo2输入至第三逻辑门U3，进行与逻辑运算后输出电压Uo3，电压Uo3的计算公式为：

Uo3＝Uo1·Uo2        (13)

Uo3即为所需的方波脉冲串，即超声波信号。

本发明的小型便携式水下定位信号发生装置的信号时序图如图2所示，分析图2可知，本发明的小型便携式水下定位信号发生装置具有正确的逻辑功能，能够实现超声波信号的产生发射。

综上所述，本发明的小型便携式水下定位信号发生装置在兼具小型化和低成本，便于人员和小目标物体携带的同时，通过发射超声波信号进行定位，具有较高定位精度，在人员和小目标物体落水后，能够提供精度高的落水位置坐标，从而缩短救援时间，提高救援成功率。并且，由于本发明的小型便携式水下定位信号发生装置整体体积较小、功耗极低，所需的电源尺寸也可以极大减小，从而本发明的小型便携式水下定位信号发生装置整体能够安装在救生衣上或安装在入水设备的外部，在不影响原本救生功能使用的前提下，还能够增加一些附加功能来拓展使用范围，比如提供水中的可探测信号(水压检测功能等)。

Claims (2)

1.一种小型便携式水下定位信号发生装置，包括信号产生发射电路，其特征在于所述的信号产生发射电路包括第一逻辑门、第二逻辑门、第三逻辑门、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管、第九晶体管、第十晶体管、第十一晶体管、第十二晶体管、第十三晶体管、第十四晶体管、第十五晶体管、第十六晶体管、第十七晶体管、第十八晶体管、第十九晶体管、电源、入水检测传感器、变压器和超声波换能器；所述的第一电容、所述的第二电容、所述的第三电容和所述的第四电容均为充电电容，所述的第四电阻和所述的第八电阻为可调电阻，所述的第一晶体管为PNP型三极管，所述的第二晶体管、所述的第三晶体管、所述的第四晶体管、所述的第七晶体管、所述的第十晶体管、所述的第十一晶体管、所述的第十二晶体管、所述的第十三晶体管和所述的第十七晶体管均为增强型PMOS管，所述的第五晶体管、所述的第六晶体管、所述的第八晶体管、所述的第九晶体管、所述的第十四晶体管、所述的第十五晶体管、所述的第十六晶体管、所述的第十八晶体管和所述的第十九晶体管均为增强型NMOS管，所述的变压器具有初级线圈和次级线圈，所述的第一逻辑门为二输入异或门，具有两个输入端和一个输出端，所述的第二逻辑门和所述的第三逻辑门均为二输入与门，具有两个输入端和一个输出端，将所述的第一逻辑门、所述的第二逻辑门和所述的第三逻辑门的两个输入端均称为第一输入端和第二输入端；

所述的入水检测传感器的一端和所述的第一晶体管的基极连接，所述的第一晶体管的集电极、所述的第一电阻的一端和所述的第一逻辑门的第一输入端连接，所述的第一电阻的另一端、所述的第一电容的正极、所述的第三电阻的一端、所述的第一逻辑门的第二输入端和所述的第二逻辑门的第二输入端连接，所述的第一逻辑门的输出端和所述的第二逻辑门的第一输入端连接，所述的第三电阻的另一端、和所述的第十晶体管的源极分别与所述的电源的正极连接，所述的第二逻辑门的输出端分别与所述的第二电阻的一端、所述的第四电阻的一端、所述的第二晶体管的源极、所述的第三晶体管的源极、所述的第四晶体管的源极、第六电阻的一端、第七电阻的一端、第八电阻的一端、所述的第七晶体管的源极、所述的第十一晶体管的源极、所述的第十二晶体管的源极、所述的第十三晶体管的源极、所述的第十七晶体管的源极和所述的第十八晶体管的漏极连接，所述的第四电阻的另一端、所述的第五电阻的一端和所述的第八晶体管的漏极连接，所述的第二晶体管的栅极、所述的第三晶体管的栅极、所述的第三晶体管的漏极和所述的第五晶体管的漏极连接，所述的第二晶体管的漏极、所述的第六晶体管的漏极和所述的第四晶体管的栅极连接，所述的第四晶体管的漏极、所述的第八晶体管的栅极、所述的第九晶体管的漏极和所述的第三逻辑门的第一输入端连接，所述的第五晶体管的栅极和所述的第二电阻的另一端连接，所述的第六晶体管的栅极、所述的第五电阻的另一端、所述的第二电容的正极和所述的第七晶体管的栅极连接，所述的第七晶体管的漏极和所述的第九晶体管的栅极连接，所述的第十一晶体管的栅极、所述的第十二晶体管的栅极、所述的第十二晶体管的漏极和所述的第十五晶体管的漏极连接，所述的第十一晶体管的漏极、所述的第十六晶体管的漏极和所述的第十三晶体管的栅极连接，所述的第十三晶体管的漏极、所述的第十八晶体管的栅极、所述的第十九晶体管的漏极和所述的第三逻辑门的第二输入端连接，所述的第十五晶体管的栅极和所述的第七电阻的另一端连接，所述的第十六晶体管的栅极、所述的第八电阻的另一端、所述的第四电容的正极和所述的第十七晶体管的栅极连接，所述的第十七晶体管的漏极和所述的第十九晶体管的栅极连接，所述的第六电阻的另一端、所述的第三逻辑门的输出端、所述的第十晶体管的栅极和所述的第十四晶体管的栅极连接，所述的第十晶体管的漏极、所述的第十四晶体管的漏极和所述的第三电容的正极连接，所述的第三电容的负极和所述的变压器的初级线圈的一端连接，所述的变压器的次级线圈的两端和所述的超声波换能器的两端连接；所述的入水检测传感器的另一端、所述的第一晶体管的发射极、所述的第一电容的负极、所述的电源的负极、所述的第二电容的负极、所述的第四电容的负极、所述的第五晶体管的源极、所述的第六晶体管的源极、所述的第八晶体管的源极、所述的第九晶体管的源极、所述的第十四晶体管的源极、所述的第十五晶体管的源极、所述的第十六晶体管的源极、所述的第十八晶体管的源极、所述的第十九晶体管的源极和所述的变压器的初级线圈的另一端均接地。

2.根据权利要求1所述的一种小型便携式水下定位信号发生装置，其特征在于所述的电源为电池组。

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