CN215986494U

CN215986494U - 一种水声信号超声编码发射系统

Info

Publication number: CN215986494U
Application number: CN202122408802.4U
Authority: CN
Inventors: 李鹏; 单钰强
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2022-03-08
Anticipated expiration: 2031-09-30

Abstract

本实用新型涉及一种水声信号超声编码发射系统，属于水下探测领域。本实用新型包括存储模块、控制模块、DAC输出电路、三角波产生电路、比较电路、功率放大及滤波电路和探头，存储模块内存储有波形数据；控制模块的输入端与存储模块的输出端连接，其输出端与DAC输出电路的输入端；DAC输出电路的输出端和三角波产生电路的输出端与比较电路的输入端连接；比较电路的输出端与功率放大及滤波电路的输入端连接；功率放大及滤波电路的输出端与探头连接，探头用于发射信号。本实用新型的DAC输出电路的输出信号波形和三角波产生电路产生的三角波通过比较电路产生与其相对应的PWM波形，再通过功率放大及滤波电路对波形进行恢复与功率放大，从而驱动超声换能器。

Description

一种水声信号超声编码发射系统

技术领域

本实用新型涉及水下探测领域，更具体地说是一种水声信号超声编码发射系统。

背景技术

随着人类科技的不断飞跃式发展，海洋的探索与开发越来越得到国家的重视。而海洋开发必定离不开海洋探测与海洋观测网等相关技术的研发与应用。因此，水下探测作为海洋观测网的关键环节以及海洋开发的先决条件必将成为研究的热点与重点。

目前，水下勘测主要为光学与声学两种主流技术。由于光学探测探测距离短，水下适应性不强，而声波在水中不会受水质的影响，并且传播过程中的能量衰减小，所以声学探测逐渐成为探测水下环境、描绘海洋地形的主要手段。现阶段，水下声学成像技术已经被广泛应用于海洋探测、港口建设、水下工程和搜救等领域。

一直以来，水下成像声呐技术已经在海底地形勘测与内陆河流探索中得到广泛应用，但是由于水下成像系统需要多次的发射-接收超声信号的过程，导致成像系统的帧率难以提升。

实用新型内容

针对水下成像系统需要多次的发射-接收超声信号，导致成像系统的帧率难以提升的问题，本实用新型设计了一种水声信号超声编码发射系统，DAC输出电路的输出信号波形和三角波产生电路产生的三角波通过比较电路产生与其相对应的PWM波形，通过该PWM波形来控制功率放大及滤波电路进行波形恢复与功率放大，实现了驱动超声换能器的目的。

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

一种水声信号超声编码发射系统，包括存储模块、控制模块、DAC输出电路、三角波产生电路、比较电路、功率放大及滤波电路和探头，所述存储模块内存储有波形数据；控制模块的输入端与存储模块的输出端连接，其输出端与DAC输出电路的输入端；DAC输出电路的输出端和三角波产生电路的输出端与比较电路的输入端连接；比较电路的输出端与功率放大及滤波电路的输入端连接；功率放大及滤波电路的输出端与探头连接，所述探头用于发射信号。

进一步的技术方案，所述DAC输出电路包括DAC芯片、滤波器L₁、滤波器L₂、电阻R₄、电阻R₇、第一运算放大器和第二运算放大器，DAC芯片的输出端I与滤波器L₁的一端连接，滤波器L₁的另一端与第一运算放大器的同向输入端连接；DAC芯片的输出端I与滤波器L₂的一端连接，滤波器L₂的另一端与第一运算放大器的反向输入端连接；第一运算放大器的输出端与第二运算放大器的同向输入端连接，第二运算放大器的输出端与比较电路的输入端连接；第一运算放大器的输出端通过电阻R₄反馈到第一运算放大器的反向输入端，第二运算放大器的输出端通过电阻R₇反馈到第二运算放大器的反向输入端。

进一步的技术方案，所述三角波产生电路包括第一比较器、第三运算放大器、电阻R₈、电阻R₉、电阻R₁₀、电阻R₁₁和电容C₃，所述第一比较器的反向输入端通过电阻R₈接地，第一比较器的输出端分别通过电阻R₉和电阻R₁₁与其同向输入端和第三运算放大器的反向输入端连接；第三运算放大器的同向输入端接地，第三运算放大器的输出端分别通过电容C₃和电阻 R₁₀与其反向输入端和第一比较器的同向输入端连接；第三运算放大器的输出端输出三角波。

进一步的技术方案，所述三角波的振幅为：

其中，V₁为第一比较器的输出电压。

进一步的技术方案，所述三角波的振荡频率为：

进一步的技术方案，所述比较电路包括电阻R₁₂、电阻R₁₃、电阻R₁₄、二极管V₁、电阻R₁₉、电阻R₂₀、电阻R₂₁、二极管V₂、第二比较器、第三比较器、第四运算放大器和第五运算放大器，其中，

第二运算放大器的输出端与电阻R₁₂的一端连接，电阻R₁₂的另一端与电阻R₁₃的一端和电阻R₁₄的一端连接，电阻R₁₃的另一端与第四运算放大器的同向输入端连接，电阻R₁₄的另一端与第五运算放大器的同向输入端连接；第四运算放大器的反向输入端与其输出端连接，第四运算放大器的输出端与二极管V₁的阴极和第二比较器的同向输入端连接，二极管V₁的阳极接地；第五运算放大器的反向输入端与其输出端连接，第五运算放大器的输出端与二极管V₂的阴极和第三比较器的同向输入端连接，二极管V₂的阳极接地；

第三运算放大器的输出端与电阻R₁₉的一端连接，电阻R₁₉的另一端与电阻R₂₀的一端和电阻R₂₁的一端连接，电阻R₂₀的另一端与第二比较器的反向输入端连接；电阻R₂₁的另一端与第三比较器的反向输入端连接。

进一步的技术方案，第二比较器的输出端输出波形为PWM₁，第三比较器的输出端输出波形为PWM₂，且PWM₁和PWM₂均为方波。

进一步的技术方案，所述功率放大及滤波电路包括MOS管Q₁、MOS管Q₂、MOS管Q₃、MOS管Q₄、变压器T₁、滤波器L₃、滤波器L₄、滤波器L₅和滤波器L₆，其中，

第二比较器的输出端与MOS管Q₁和MOS管Q₂的栅极连接，第三比较器的输出端与MOS管Q₃和MOS管Q₄的栅极连接；MOS管Q₁的源极和MOS管Q₄的漏极与滤波器L₃的一端连接，滤波器L₃的另一端与电容C₄的一端和滤波器L₄的一端连接；MOS管Q₃的漏极和MOS管Q₂的源极与滤波器L₆的一端连接，滤波器L₆的另一端与电容C₅的一端和滤波器L₅的一端连接；MOS 管Q₁的漏极和MOS管Q₃的源极接VCC，MOS管Q₂的漏极、MOS管Q₄的源极、电容C₄的另一端和电容C₅的另一端接地；

滤波器L₄的另一端和滤波器L₅的另一端分别与变压器T₁的两个输入端连接，变压器T₁的输出端与探头连接。

采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本实用新型的一种水声信号超声编码发射系统，DAC输出电路采用AD9780数模转换器，优点是高性能，低功耗，并且所有的设备共享相同的接口选项，小大纲封装和引脚，从而提供了一个向上或向下的组件选择路径的基础上的性能，分辨率和成本。；

(2)本实用新型的一种水声信号超声编码发射系统，运算放大器选用的是ANALOGDEVICE公司所生产的AD8066，AD8066快速场效应管放大器是电压反馈放大器，场效应管输入提供高性能和易用性；并且AD8066是双路放大器，电源电压范围很宽，从5V～24V，能够在单个电源上工作，带宽为145MHz，设计用于多种工作环境应用程序。

(3)本实用新型的一种水声信号超声编码发射系统，比较器选用的是德州仪器的TLV3502，其优点是具有4.5ns的传播延迟和从2.7V到5.5V的工作电压范围。

(4)本实用新型的一种水声信号超声编码发射系统，比较电路采用了AD8066和TLV3502进行双路的电压比较，优点是可以一直输出两路互补的信号，保证两路PWM信号交替出现，实现准确控制率放大及滤波电路中的功率管的通断。

(5)本实用新型的一种水声信号超声编码发射系统，功率放大模块可以将PWM信号逆变为原始发射信号，并为驱动水声换能器提供相应的足够功率的编码激励信号。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图；

图2为本实用新型DAC输出电路图；

图3为本实用新型三角波产生电路图；

图4为本实用新型比较电路图；

图5为本实用新型功率放大及滤波电路图；

图6为本实用新型比较电路输出波形图；

图7为本实用新型功率放大及滤波电路输出波形图。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型的内容，结合附图对本实用新型作详细描述。

实施例

本实施例的一种水声信号超声编码发射系统，如图1至图6所示，包括存储模块、控制模块、DAC输出电路、三角波产生电路、比较电路、功率放大及滤波电路和探头，存储模块采用ROM存储器，其内存储有波形数据。控制模块采用FPGA开发板，其输入端与存储模块的输出端连接，其输出端与DAC输出电路的输入端；DAC输出电路的输出端和三角波产生电路的输出端与比较电路的输入端连接；比较电路的输出端与功率放大及滤波电路的输入端连接；功率放大及滤波电路的输出端与探头连接，探头用于发射信号以驱动超声换能器。

DAC输出电路输出信号的放大由FPGA驱动DAC芯片产生模拟信号。DAC芯片采用ADI公司生产的AD9708作为数模转换器，结合外围电路将DAC输出的差分电流信号转换为电压信号，针对DAC的差分电流输出，需要将其转换为电压信号。外围电路主要包含两个低通滤波器，两个比例运算放大器。低通滤波器将差分电流转化为差分电压并滤除信号中的高频分量，比例运算放大器将电压信号放大到比较器的输入电压范围内。所用比例运算放大器选用的是ANALOG DEVICE公司所生产的AD8066。AD8066快速场效应管放大器是电压反馈放大器，场效应管输入提供高性能和易用性。并且AD8066是双路放大器，电源电压范围很宽，从5V～24V，能够在单个电源上工作，带宽为145MHz，设计用于多种工作环境应用程序。用于增加了多功能性，放大器还包含轨到轨输出。

DAC输出电路的具体电路图如图2所示，包括DAC芯片、滤波器L₁、滤波器L₂、电容C₁、电容C₂、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电阻R₆、电阻R₇、第一运算放大器和第二运算放大器。其中，DAC芯片的输出端I与滤波器L₁的一端连接，滤波器L₁的另一端与电容C₁的一端和电阻R₁的一端连接，电阻R₁的另一端与电阻R₃的一端和第一运算放大器的同向输入端连接；DAC芯片的输出端

与滤波器L₂的一端连接，滤波器L₂的另一端与电容C₂的一端和电阻R₂的一端连接，电阻R₂的另一端第一运算放大器的反向输入端连接；第一运算放大器的输出端与电阻R₄的一端和电阻R₅的一端连接，电阻R₄的另一端与第一运算放大器的反向输入端连接。电阻R₅的另一端与第二运算放大器的同向输入端连接，电阻R₆的一端与第二运算放大器的反向输入端连接，第二运算放大器的输出端通过电阻R₇反馈到第二运算放大器的反向输入端。电容C₁的另一端、电容C₂的另一端、电阻R₃的另一端和电阻R₆的另一端接地。第二运算放大器的输出端与比较电路的输入端连接。

本实用新型采用SPWM方法调制产生PWM波，因此需要设计三角波产生电路来调制输入的模拟信号。采用的比较器为德州仪器的TLV3502，使用运算放大器和比较器即可组成三角波产生电路。三角波产生电路的具体电路图如图3所示，包括第一比较器、第三运算放大器、电阻R₈、电阻R₉、电阻R₁₀、电阻R₁₁和电容C₃，所述第一比较器的反向输入端通过电阻 R₈接地，第一比较器的输出端分别通过电阻R₉和电阻R₁₁与其同向输入端和第三运算放大器的反向输入端连接；第三运算放大器的同向输入端接地，第三运算放大器的输出端分别通过电容C₃和电阻R₁₀与其反向输入端和第一比较器的同向输入端连接；第三运算放大器的输出端输出三角波。

三角波的振幅为：

其中，V₁为第一比较器的输出电压。三角波产生电路由比较器和积分电路组成。并且积分电路的输出在比较器输出为低电平时线性增加；在比较器输出为高电平时，积分电路的输出线性减少。当同相输入端的电压达到基准电压时，比较器输出模式会进行切换。在通常情况下，PWM系统不允许0调制或满调制，这是因为输出电流将为直流信号，这有可能会损坏电路中的其他芯片或组件。因此，三角波的幅值选择原则为大于DAC输出电路的最大输出电压。先选定R₉的阻值，通常为10千欧等较为常见的阻值。那么R₁₀的值可以通过

计算得到，其中，三角波的振荡频率为：

如图4所示为比较电路，采用了AD8066和TLV3502进行双路的电压比较。具体包括电阻R₁₂、电阻R₁₃、电阻R₁₄、电阻R₁₅、电阻R₁₆、电阻R₁₇、二极管V₁、电阻R₁₈、电阻R₁₉、电阻R₂₀、电阻R₂₁、二极管V₂、第二比较器、第三比较器、第四运算放大器和第五运算放大器，其中，DAC输出电路中的第二运算放大器的输出端与电阻R₁₂的一端连接，电阻R₁₂的另一端与电阻R₁₃的一端和电阻R₁₄的一端连接，电阻R₁₃的另一端与第四运算放大器的同向输入端连接，电阻R₁₄的另一端与第五运算放大器的同向输入端连接；第四运算放大器的反向输入端与其输出端连接，第四运算放大器的输出端与二极管V₁的阴极和第二比较器的同向输入端连接，二极管V₁的阳极接地；第五运算放大器的反向输入端与其输出端连接，第五运算放大器的输出端与二极管V₂的阴极和第三比较器的同向输入端连接，二极管V₂的阳极接地；三角波产生电路中的第三运算放大器的输出端与电阻R₁₉的一端连接，电阻R₁₉的另一端与电阻R₂₀的一端和电阻R₂₁的一端连接，电阻R₂₀的另一端与第四运算放大器的反向输入端连接，第二比较器输出波形PWM₁；电阻R₂₁的另一端与第五运算放大器的反向输入端连接，第三比较器输出波形PWM₂，比较电路的输出波形图如图6所示。

DAC输出电路所输出的电压信号通过一个由电阻R₁₂、电阻R₁₃和电阻R₁₄组成的功率分配网络分成两条信号链路，这两条信号链路一条同相，一条反相，输出互补的两路信号。二极管V₁和二极管V₂是型号为1N5817的肖基特二极管，该二极管负责电压的钳位，使运算放大器的输出信号保留正半轴，负半轴清零。这样将交流电压分开来调制。同时，将所涉及到的三角波信号输入到比较电路的反相输入端。当三角波的电压幅度值大于输入信号的电压幅度值的时候，比较器输出低电平。相反的，当输入信号的电压幅度值大于三角波的幅度值的时候，比较器输出高电平。该双路电压比较电路产生两个输出方波PWM₁和PWM₂的占空比的变化取决于输入电压，并且PWM₁代表输入信号的正半轴调制所得信号，PWM₂代表输入信号的负半轴调制所得信号，这两路PWM信号总是交替出现。

如图5所示为功率放大及滤波电路的具体电路图，包括MOS管Q₁、MOS管Q₂、MOS 管Q₃、MOS管Q₄、变压器T₁、滤波器L₃、滤波器L₄、滤波器L₅和滤波器L₆，其中，第二比较器的输出端与MOS管Q₁和MOS管Q₂的栅极连接，第三比较器的输出端与MOS管Q₃和MOS 管Q₄的栅极连接；MOS管Q₁的源极和MOS管Q₄的漏极与滤波器L₃的一端连接，滤波器L₃的另一端与电容C₄的一端和滤波器L₄的一端连接；MOS管Q₃的漏极和MOS管Q₂的源极与滤波器L₆的一端连接，滤波器L₆的另一端与电容C₅的一端和滤波器L₅的一端连接；MOS管Q₁的漏极和MOS管Q₃的源极接VCC，MOS管Q₂的漏极、MOS管Q₄的源极、电容C₄的另一端和电容C₅的另一端接地；MOS管Q₁和MOS管Q₃的漏极接VCC，MOS管Q₂的源极、MOS管Q₄的源极、电容C₄的另一端和电容C₅的另一端接地，功率放大及滤波电路的输出波形如图7所示。

将比较电路的输出结果输入功率放大及滤波电路的MOS管的栅极，PWM₁输入到MOS管Q₁和MOS管Q₂的栅极，PWM₂输入到MOS管Q₃和MOS管Q₄的栅极，这样通过控制PWM₁和PWM₂两路信号就可以在变压器T₁产生交流信号，频率由PWM调制信号的频率决定。同时，电路中的无源低通滤波器负责将PWM脉冲信号的高频分量滤除，保留信号中的低频分量，这样就可以将调制的PWM信号恢复成DDS所产生的模拟信号，并且提高了输出功率以驱动超声换能器。LC无源低通滤波器的截止频率应当介于输入信号频率与三角波频率之间，才能够保留输入信号，而滤除PWM波中的载波。

该系统发送超声波的原理为：FPGA读取ROM中的波形数据并将其输出到DAC输出电路中，DAC输出电路根据波形数值产生对应的差分电流信号，结合运放将该差分电流信号转化为电压信号，并输出正相与反相两种电压形式，比较电路接收由三角波产生电路产生的三角波并和DAC输出电路输出的正向和反向电压信号作比较，比较电路输出正向与反向双路 PWM信号，该双路PWM信号控制功率放大及滤波电路中MOS管的通断，并结合无源低通滤波器将PWM信号逆变为DAC的输出波形，并通过变压器抬高电压从探头处发出信号以驱动超声换能器。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种水声信号超声编码发射系统，其特征在于：包括存储模块、控制模块、DAC输出电路、三角波产生电路、比较电路、功率放大及滤波电路和探头，所述存储模块内存储有波形数据；控制模块的输入端与存储模块的输出端连接，其输出端与DAC输出电路的输入端；DAC输出电路的输出端和三角波产生电路的输出端与比较电路的输入端连接；比较电路的输出端与功率放大及滤波电路的输入端连接；功率放大及滤波电路的输出端与探头连接，所述探头用于发射信号。

2.根据权利要求1所述的一种水声信号超声编码发射系统，其特征在于：所述DAC输出电路包括DAC芯片、滤波器L₁、滤波器L₂、电阻R₄、电阻R₇、第一运算放大器和第二运算放大器，DAC芯片的输出端I与滤波器L₁的一端连接，滤波器L₁的另一端与第一运算放大器的同向输入端连接；DAC芯片的输出端I与滤波器L₂的一端连接，滤波器L₂的另一端与第一运算放大器的反向输入端连接；第一运算放大器的输出端与第二运算放大器的同向输入端连接，第二运算放大器的输出端与比较电路的输入端连接；第一运算放大器的输出端通过电阻R₄反馈到第一运算放大器的反向输入端，第二运算放大器的输出端通过电阻R₇反馈到第二运算放大器的反向输入端。

3.根据权利要求2所述的一种水声信号超声编码发射系统，其特征在于：所述三角波产生电路包括第一比较器、第三运算放大器、电阻R₈、电阻R₉、电阻R₁₀、电阻R₁₁和电容C₃，所述第一比较器的反向输入端通过电阻R₈接地，第一比较器的输出端分别通过电阻R₉和电阻R₁₁与其同向输入端和第三运算放大器的反向输入端连接；第三运算放大器的同向输入端接地，第三运算放大器的输出端分别通过电容C₃和电阻R₁₀与其反向输入端和第一比较器的同向输入端连接；第三运算放大器的输出端输出三角波。

4.根据权利要求3所述的一种水声信号超声编码发射系统，其特征在于：所述三角波的振幅为：

其中，V₁为第一比较器的输出电压。

5.根据权利要求4所述的一种水声信号超声编码发射系统，其特征在于：所述三角波的振荡频率为：

6.根据权利要求3所述的一种水声信号超声编码发射系统，其特征在于：所述比较电路包括电阻R₁₂、电阻R₁₃、电阻R₁₄、二极管V₁、电阻R₁₉、电阻R₂₀、电阻R₂₁、二极管V₂、第二比较器、第三比较器、第四运算放大器和第五运算放大器，其中，

7.根据权利要求6所述的一种水声信号超声编码发射系统，其特征在于：第二比较器的输出端输出波形为PWM₁，第三比较器的输出端输出波形为PWM₂，且PWM₁和PWM₂均为方波。

8.根据权利要求6所述的一种水声信号超声编码发射系统，其特征在于：所述功率放大及滤波电路包括MOS管Q₁、MOS管Q₂、MOS管Q₃、MOS管Q₄、变压器T₁、滤波器L₃、滤波器L₄、滤波器L₅和滤波器L₆，其中，

第二比较器的输出端与MOS管Q₁和MOS管Q₂的栅极连接，第三比较器的输出端与MOS管Q₃和MOS管Q₄的栅极连接；MOS管Q₁的源极和MOS管Q₄的漏极与滤波器L₃的一端连接，滤波器L₃的另一端与电容C₄的一端和滤波器L₄的一端连接；MOS管Q₃的漏极和MOS管Q₂的源极与滤波器L₆的一端连接，滤波器L₆的另一端与电容C₅的一端和滤波器L₅的一端连接；MOS管Q₁的漏极和MOS管Q₃的源极接VCC，MOS管Q₂的漏极、MOS管Q₄的源极、电容C₄的另一端和电容C₅的另一端接地；滤波器L₄的另一端和滤波器L₅的另一端分别与变压器T₁的两个输入端连接，变压器T₁的输出端与探头连接。