RU2644118C1 - Generator for exciting ultrasound radiators - Google Patents

Generator for exciting ultrasound radiators Download PDF

Info

Publication number
RU2644118C1
RU2644118C1 RU2015142543A RU2015142543A RU2644118C1 RU 2644118 C1 RU2644118 C1 RU 2644118C1 RU 2015142543 A RU2015142543 A RU 2015142543A RU 2015142543 A RU2015142543 A RU 2015142543A RU 2644118 C1 RU2644118 C1 RU 2644118C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
channel
input
threshold
signal
Prior art date
Application number
RU2015142543A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Александрович Александров
Екатерина Юрьевна Ермолаева
Александр Владимирович Куликов
Original Assignee
Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор"
Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор", Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" filed Critical Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор"
Priority to RU2015142543A priority Critical patent/RU2644118C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2644118C1 publication Critical patent/RU2644118C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/523—Details of pulse systems
    • G01S7/524—Transmitters
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/575—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices characterised by the feedback circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: generator device (GD) contains a concatenated signal conditioner, a control unit and an N-channel SPIKE, the outputs of which are connected to the inputs of the N-channel transformer adder through consistently included channels of the N-channel KUM and N-channel threshold sensor current, the first and the second outputs of which are connected through a low-pass filter and a current sensor with the first and the second excitation buses of acoustic emitters, and the output of the N-channel threshold current sensor is connected with the ban entry of the N-channel SPIKE, further the first and the second threshold amplifiers, an amplitude detector, an analogue-to-digital converter, and a digital adder are introduced, wherein the signal conditioner additionally contains a code on the data bus system amplitude and output permissions, and the control device includes a parametric amplifier with amplification and subtractive code bus device, the output of which is an output of the control device.
EFFECT: increasing the reliability under condition of ensuring safe operation under conditions of a significant change in the load impedance, which ensures uninterrupted operation under extreme operating conditions.
3 dwg

Description

Изобретение относится к области усилительной и генераторной техники и может быть использовано в акустических излучающих трактах для возбуждения ультразвуковых излучателей.The invention relates to the field of amplification and generator technology and can be used in acoustic radiating paths to excite ultrasonic emitters.

Известны усилители мощности, использующие различные виды широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для формирования мощных выходных сигналов заданной формы с управляемыми параметрами по частоте и амплитуде.Power amplifiers are known that use various types of pulse width modulation (PWM) to generate powerful output signals of a given shape with controlled parameters in frequency and amplitude.

Устройства такого типа, реализующие метод ключевого усиления, относятся к усилителям класса D [1, 2], характеризуются высокой энергетической эффективностью и могут быть положены в основу построения мощных генераторных устройств (ГУ). Достоинством ГУ с использованием ШИМ, наряду с высоким КПД, является равномерность амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) выходного напряжения при изменении нагрузки в широких пределах. Выделенное обстоятельство является принципиально важным для возбуждения акустических излучателей, включенных в систему излучающего тракта многоканальных технологических систем, обеспечивающих воздействие на среду полем суммарных акустических колебаний.Devices of this type that implement the key amplification method belong to class D amplifiers [1, 2], are characterized by high energy efficiency and can be used as the basis for the construction of powerful generator devices (PG). The advantage of GU using PWM, along with high efficiency, is the uniformity of the amplitude-frequency characteristic (AFC) of the output voltage when the load changes over a wide range. The highlighted circumstance is fundamentally important for the excitation of acoustic emitters included in the system of the radiating path of multichannel technological systems that provide exposure to the medium by the field of total acoustic vibrations.

В усилителях класса D входной сигнал преобразуется в последовательность импульсов, модулированных по длительности, в результате ключевого усиления которых по мощности формируется модулированное импульсное напряжение, поступающее через дроссель фильтра низких частот (ФНЧ) на входы излучателей для их возбуждения. Величина индуктивности дросселя ФНЧ выбирается из условия фильтрации высокочастотных составляющих (ВЧ) импульсного напряжения на акустических излучателях, собственный импеданс которых имеет, как правило, емкостный характер.In class D amplifiers, the input signal is converted into a sequence of pulses modulated in duration, as a result of a key gain in power of which a modulated pulse voltage is supplied through the low-pass filter choke (LPF) to the emitter inputs to excite them. The magnitude of the inductance of the LPF inductor is selected from the condition of filtering the high-frequency components (RF) of the pulse voltage on acoustic emitters, the intrinsic impedance of which is, as a rule, capacitive in nature.

В ряде случаев, особенно для реализации ГУ большой мощности ультразвукового диапазона частот, используются многоканальные ключевые усилители мощности (КУМ) с формированием ШИМ отдельных каналов, равномерно сдвинутых по фазе [3, 4]. В результате наращивание выходной мощности посредством суммирования модулированных импульсных напряжений дополнительно приводит к кратному увеличению суммарной частоты ШИМ, что облегчает условие фильтрации ВЧ составляющих при минимизации индуктивности дросселя ФНЧ.In a number of cases, especially for the realization of high-power GUs of the ultrasonic frequency range, multichannel key power amplifiers (CMCs) are used with the formation of PWM of individual channels uniformly shifted in phase [3, 4]. As a result, increasing the output power by summing the modulated pulse voltages additionally leads to a multiple increase in the total PWM frequency, which facilitates the filtering of the RF components while minimizing the inductance of the low-pass filter choke.

Преимущества усилителей класса D с многоканальной ШИМ, обеспечивающих стабильные нагрузочные характеристики ГУ, связаны с возможностью практически неограниченного нарастания выходного тока при резком уменьшении импеданса нагрузки. Такой эффект имеет место в акустических системах, содержащих ряд ультразвуковых излучателей, обеспечивающих колебания во внутреннем объеме, либо внешних стенок технологической камеры, заполненной флюидом, подвергаемым ультразвуковому воздействию. Возникновение таких ситуаций вызывает перегрузки ГУ, что приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик технологической акустической системы и понижению надежности ее работы. Возникает необходимость отработки защитных механизмов, блокирующих работу ГУ.The advantages of class D amplifiers with multichannel PWM, providing stable load characteristics of the PG, are associated with the possibility of an almost unlimited increase in the output current with a sharp decrease in the load impedance. Such an effect takes place in acoustic systems containing a number of ultrasonic emitters providing oscillations in the internal volume or on the external walls of the process chamber filled with a fluid subjected to ultrasonic action. The occurrence of such situations causes overloading of the PG, which leads to a deterioration in the operational characteristics of the technological acoustic system and a decrease in the reliability of its operation. There is a need to develop protective mechanisms that block the operation of the GU.

Использование отрицательной обратной связи по выходному току, аналогично известному решению [4], переводит усилитель класса D в режим генератора тока. В результате теряются преимущества стабильности выходного напряжения, имеет место режим ограничения выходного сигнала при уменьшении нагрузки, что в результате ограничивает область применения ГУ на основе усилительного устройства такого типа.The use of negative feedback on the output current, similar to the well-known solution [4], puts the class D amplifier into the current generator mode. As a result, the stability advantages of the output voltage are lost, there is a mode of limiting the output signal when the load is reduced, which as a result limits the scope of the PG based on an amplification device of this type.

Наиболее близким аналогом по совокупности общих признаков с предлагаемым устройством является генераторное устройство на основе многоканального усилителя класса D, реализованное в гидроакустическом передающем тракте по патенту РФ 2195687 [5]. Устройство-прототип содержит последовательно соединенные формирователь 1 сигнала, устройство 2 управления, N-канальный широтно-импульсный преобразователь 3 (ШИП), N-канальный КУМ 4, N-канальный пороговый датчик 5 тока, N-канальный трансформаторный сумматор 6, подключенный выходами через выходной фильтр 7 нижних частот и датчик 8 тока к шинам возбуждения акустических излучателей, при этом выход N-канального порогового датчика тока соединен с входом запрета N-канального ШИП, а выход датчика 8 тока соединен со входом устройства управления. Структурная схема устройства-прототипа представлена на фиг. 1.The closest analogue in terms of the combination of common features with the proposed device is a generator device based on a multichannel amplifier of class D, implemented in a sonar transmission path according to the patent of the Russian Federation 2195687 [5]. The prototype device contains a serially connected signal driver 1, a control device 2, an N-channel pulse-width converter 3 (SHIP), an N-channel QUM 4, an N-channel threshold current sensor 5, an N-channel transformer adder 6, connected by outputs through an output low-pass filter 7 and a current sensor 8 to the excitation buses of the acoustic emitters, while the output of the N-channel threshold current sensor is connected to the inhibit input of the N-channel SHIP, and the output of the current sensor 8 is connected to the input of the control device. The block diagram of the prototype device is shown in FIG. one.

Работа устройства прототипа осуществляется следующим образом.The operation of the prototype device is as follows.

Входной сигнал с выхода формирователя 1 через устройство управления 2 поступает на вход N-канального ШИП 3, где преобразуется в ряд последовательностей импульсов с ШИМ, равномерно сдвинутых по фазе. Сигналы с ШИМ с выходов N-канального ШИП передаются на входы N-канального КУМ 4, усиливаются по мощности и через N-канальный пороговый датчик 5 поступают на входы N-канального трансформаторного сумматора 6. Суммарный выходной сигнал передается через ФНЧ 7 и датчик 8 тока на шины возбуждения акустических излучателей (АИ). Выходной сигнал датчика 8 в устройстве-прототипе передается в устройство управления, где используется для контроля работоспособности ГУ.The input signal from the output of the shaper 1 through the control device 2 is fed to the input of the N-channel SHIP 3, where it is converted into a series of pulse sequences with PWM uniformly shifted in phase. The PWM signals from the outputs of the N-channel SHIP are transmitted to the inputs of the N-channel CMC 4, amplified by power, and fed through the N-channel threshold sensor 5 to the inputs of the N-channel transformer adder 6. The total output signal is transmitted through the low-pass filter 7 and the current sensor 8 on the excitation bus of acoustic emitters (AI). The output signal of the sensor 8 in the prototype device is transmitted to the control device, where it is used to monitor the health of the PG.

Защита устройства-прототипа от режима перегрузки в условиях резкого уменьшения нагрузки реализуется N-канальным пороговым датчиком тока 5, на контрольном выходе которого при превышении выходного тока любого из каналов КУМ 4 формируется сигнал ЗАПРЕТ, поступающий на вход управления N-канального ШИП 3. При этом закрывается прохождение импульсов управления на входы КУМ 4 и обеспечивается выключение ГУ. Повторное включение возможно только при специальной команде управления от устройства формирователя сигналов либо при повторном включении ГУ. Соответственно, в условиях даже кратковременного уменьшения импеданса нагрузки в устройстве-прототипе происходит срыв функционирования, приводящий к нагружению технологического цикла излучения.Protection of the prototype device from the overload mode under conditions of a sharp decrease in load is realized by an N-channel threshold current sensor 5, at the control output of which, when the output current of any of the KUM channels 4 is exceeded, a PROHIBIT signal is supplied to the control input of the N-channel SHIP 3. the passage of control pulses to the inputs of the KUM 4 is closed and the PG is turned off. Re-inclusion is possible only with a special control command from the device of the signal conditioner or when the GU is switched on again. Accordingly, in conditions of even a short-term decrease in the load impedance in the prototype device, a failure occurs, leading to the loading of the radiation technological cycle.

Попытка расширить область устойчивой работы устройства-прототипа при изменении нагрузки в 2-3 раза приводит к необходимости соответствующего увеличения экстремальных выходных токов каналов КУМ 4, что связано с понижением надежности работы ГУ.An attempt to expand the area of stable operation of the prototype device when the load changes by 2-3 times leads to the need for a corresponding increase in the extreme output currents of the channels of the KUM 4, which is associated with a decrease in the reliability of the PG.

Таким образом, устройство-прототип сохраняет работоспособность только при отсутствии экстремальных режимов в условиях импеданса нагрузки не менее номинального значения.Thus, the prototype device remains operational only in the absence of extreme conditions under load impedance of not less than the nominal value.

Предотвращение аварийных режимов, связанных с понижением импеданса нагрузки, в устройстве-прототипе достигается срабатыванием механизмов защиты, приводящем к срыву функционирования. Принимая во внимание значительное изменение импеданса акустических излучателей в технологических установках ультразвуковой обработки, обусловленных как их взаимным влиянием в условиях изменения состояния среды обработки, так и изменением частоты возбуждения АИ, следует выделить следующие недостатки устройства-прототипа: ограниченная область применения для ультразвуковых технологических излучающих трактов, ограничение возможности изменения частоты акустических колебаний как средства повышения эффективности ультразвуковой обработки.The prevention of emergency conditions associated with lowering the load impedance in the prototype device is achieved by triggering protection mechanisms, leading to disruption of operation. Taking into account a significant change in the impedance of acoustic emitters in technological installations of ultrasonic processing, due to both their mutual influence in the conditions of a change in the state of the processing medium and the change in the frequency of excitation of the AI, the following disadvantages of the prototype device should be highlighted: limited scope for ultrasonic technological radiating paths, limiting the possibility of changing the frequency of acoustic vibrations as a means of increasing the efficiency of ultrasonic imaging boots.

Адаптация к изменяющимся условиям возбуждения АИ в устройстве-прототипе возможна только при уменьшении номинального уровня выходной мощности для обеспечения кратного диапазона, что связно с уменьшением энергетической эффективности применения известного устройства.Adaptation to changing conditions of excitation of the AI in the prototype device is possible only with a decrease in the nominal output power level to provide a multiple range, which is associated with a decrease in the energy efficiency of the application of the known device.

Задачей настоящего изобретения является повышение энергетической эффективности и надежности работы ГУ в экстремальных режимах при значительном изменении импеданса нагрузки.The objective of the present invention is to increase the energy efficiency and reliability of the PG in extreme conditions with a significant change in load impedance.

Для решения поставленной задачи в известное устройство, содержащее последовательно соединенные формирователь сигналов, устройство управления и N-канальный ШИП, выходы которого через последовательно включенные каналы N-канального КУМ и N-канального порогового датчика тока соединены со входами N-канального трансформаторного сумматора, первый и второй выходы которого соединены через фильтр нижних частот и датчик тока с первой и второй шинами возбуждения акустических излучателей, а выход N-канального порогового датчика тока соединен с входом запрета N-канального ШИП, введена новая совокупность блоков и связей.To solve this problem, in a known device containing a serially connected signal shaper, a control device and an N-channel SHIP, the outputs of which are connected through the series-connected channels of the N-channel CMC and the N-channel threshold current sensor to the inputs of the N-channel transformer adder, the first and the second outputs of which are connected through a low-pass filter and a current sensor to the first and second excitation buses of acoustic emitters, and the output of the N-channel threshold current sensor is connected to the input N-channel SHIP prohibition house, a new set of blocks and connections has been introduced.

В устройство дополнительно введены первый и второй пороговые усилители, амплитудный детектор, аналогово-цифровой преобразователь и цифровой сумматор, причем формирователь сигналов дополнительно содержит шину данных кода амплитуды и выход разрешения, а в устройство управления включены параметрический усилитель с шиной кода усиления и вычитающее устройство, выход которого является выходом устройства управления, первый вход соединен с дополнительным входом устройства управления, второй вход соединен с выходом параметрического усилителя, шина кода усиления подключена к выходной шине цифрового сумматора, первая входная шина данных которого подключена к шине данных кода амплитуды формирователя сигналов, а вторая входная шина данных - к выходной шине аналого-цифрового преобразователя, вход которого через первый пороговый усилитель соединен с выходом амплитудного детектора, подключенного входом к выходу датчика тока и входу второго порогового усилителя, выход которого соединен с дополнительным входом устройства управления, причем выход разрешения формирователя сигналов подключен к входу разрешения N-канального широтно-импульсного преобразователя.The first and second threshold amplifiers, an amplitude detector, an analog-to-digital converter, and a digital adder are additionally introduced into the device, and the signal conditioner additionally contains an amplitude code data bus and a resolution output, and a parametric amplifier with a gain code bus and a subtractor, an output is included in the control device which is the output of the control device, the first input is connected to an additional input of the control device, the second input is connected to the output of the parametric amplifier By firing, the gain code bus is connected to the output bus of the digital adder, the first input data bus of which is connected to the data bus of the amplitude code of the signal conditioner, and the second input data bus is connected to the output bus of the analog-to-digital converter, the input of which is connected through the first threshold amplifier to the output of the amplitude a detector connected by an input to the output of the current sensor and the input of the second threshold amplifier, the output of which is connected to an additional input of the control device, and the output of the resolution of the signal shaper fishing connected to the input resolution of the N-channel PWM converter.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение энергетической эффективности и надежности при условии обеспечения безопасной работы в условиях значительного изменения импеданса нагрузки, что обеспечивает бесперебойное функционирования ГУ в экстремальных режимах работы.The technical result from the use of the invention is to increase energy efficiency and reliability, while ensuring safe operation in conditions of a significant change in load impedance, which ensures uninterrupted operation of the PG in extreme operating conditions.

Обеспечение технического результата достигается реализацией двух режимов управления выходным сигналом без отключения ГУ при уменьшении импеданса нагрузки: режим динамического ограничения выходного тока при резком уменьшении импеданса нагрузки; режим параметрического управления амплитудой выходного сигнала для плавного уменьшения и восстановления амплитуды выходного сигнала при уменьшении и восстановлении номинального значения импеданса. При этом срабатывание механизмов защиты в предлагаемом устройстве предусмотрено только в аварийных ситуациях неисправности отдельных каналов ГУ.Ensuring a technical result is achieved by the implementation of two control modes of the output signal without switching off the control unit while decreasing the load impedance: the mode of dynamic limitation of the output current with a sharp decrease in the load impedance; the mode of parametric control of the amplitude of the output signal for smoothly reducing and restoring the amplitude of the output signal while decreasing and restoring the nominal value of the impedance. In this case, the operation of the protection mechanisms in the proposed device is provided only in emergency situations of malfunction of individual channels of the GU.

Выбор уровня динамического ограничения тока I1 из условия превышения на 10-20% номинальной амплитуды выходного тока обеспечивает работу ГУ в широком диапазоне выходных токов без искажения выходного сигнала. При этом настройка уровня тока параметрической коррекции коэффициента усиления, равного I1, позволяет при плавных изменениях импеданса нагрузки обеспечить генерацию сигналов установленной формы при изменении импеданса от 0,1zн (zн - номинальное значение импеданса нагрузки). Совместная реализация двух режимов работы обеспечивает устойчивость и безаварийность функционирования ГУ при возбуждении акустических излучателей с изменяющимся импедансом в условиях номинально допустимого тока возбуждения. При этом достигается максимальная энергетическая эффективность при обеспечении высокой надежности работы, в том числе и при генерации широкополосных сигналов.The choice of the level of dynamic current limitation I 1 from the condition of exceeding by 10-20% the nominal amplitude of the output current ensures the operation of the PG in a wide range of output currents without distorting the output signal. At the same time, setting the current level of the parametric correction of the gain equal to I 1 allows for smooth changes in the load impedance to ensure the generation of signals of the established form when the impedance changes from 0.1z n (z n is the nominal value of the load impedance). The joint implementation of the two operating modes ensures the stability and failure-free operation of the PG during the excitation of acoustic emitters with varying impedance under the conditions of the nominally permissible excitation current. At the same time, maximum energy efficiency is achieved while ensuring high reliability, including the generation of broadband signals.

Совокупность вновь введенных блоков и связей в известных устройствах усилительной и генераторной техники ранее не использовалась и их внедрение в составе предлагаемого генераторного устройства для возбуждения акустических излучателей позволяет обеспечить устойчивую работу излучающего тракта в условиях резких изменений импеданса нагрузки при динамическом ограничении тока возбуждения акустических излучателей и плавном регулировании амплитуды напряжения возбуждения и условиях обеспечения заданной формы сигнала в режимах перегрузки при токе возбуждения, близком к номинальному значению. В результате достигается повышение энергетической эффективности и надежности при обеспечении безаварийной работы в условиях значительного изменения импеданса нагрузки. Положительный эффект в предлагаемом техническом решении достигается введением режима ограничения выходного напряжения для стабилизации амплитуды выходного тока не более максимально допустимого значения и уменьшением амплитуды напряжения в режиме перегрузки для сохранения номинального значения тока возбуждения акустического излучателя без искажения формы генерируемого сигнала.The set of newly introduced blocks and connections in the known devices of amplification and generator technology has not been previously used and their implementation as part of the proposed generator device for excitation of acoustic emitters allows for stable operation of the emitting path under conditions of sharp changes in load impedance with dynamic limitation of the excitation current of acoustic emitters and smooth regulation the amplitude of the excitation voltage and the conditions for ensuring a given waveform in overload modes ki for a current excitation is close to the nominal value. As a result, an increase in energy efficiency and reliability is achieved while ensuring trouble-free operation in conditions of a significant change in load impedance. A positive effect in the proposed technical solution is achieved by introducing an output voltage limiting mode to stabilize the output current amplitude of not more than the maximum allowable value and reducing the voltage amplitude in the overload mode to maintain the nominal value of the acoustic emitter excitation current without distorting the shape of the generated signal.

Особенность реализации устройства-прототипа и сущность изобретения поясняются на фиг. 1-3. Структурные схемы устройства-прототипа и заявляемого устройства показаны на фиг. 1 и фиг. 2 соответственно. Временные диаграммы, поясняющие работу заявляемого устройства, иллюстрируются на фиг. 3.A particular implementation of the prototype device and the essence of the invention are illustrated in FIG. 1-3. Structural diagrams of the prototype device and the claimed device are shown in FIG. 1 and FIG. 2 respectively. Timing diagrams explaining the operation of the inventive device are illustrated in FIG. 3.

Предлагаемое генераторное устройство для возбуждения ультразвуковых акустических излучателей (фиг. 2) содержит формирователь сигналов 1, устройство 2 управления, включающее параметрический усилитель 2.1 и вычитающее устройство 2.2, N-канальный ШИП 3, N-канальный КУМ 4, N-канальный пороговый датчик 5 тока, N-канальный трансформаторный сумматор 6, фильтр нижних частот (ФНЧ) 7, датчик 8 тока, первый и второй пороговые усилители 9 и 11, амплитудный детектор 10, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12 и цифровой сумматор 13.The proposed generator device for exciting ultrasonic acoustic emitters (Fig. 2) contains a signal driver 1, a control device 2, including a parametric amplifier 2.1 and a subtractor 2.2, N-channel SHIP 3, N-channel KUM 4, N-channel threshold current sensor 5 , N-channel transformer adder 6, low-pass filter (LPF) 7, current sensor 8, first and second threshold amplifiers 9 and 11, amplitude detector 10, analog-to-digital converter (ADC) 12 and digital adder 13.

Реализация N-канального ШИП 3, N-канального КУМ 4 и N-канального трансформаторного сумматора 6 выполняется по известным правилам [1, 2, 5], соответствующим построению многоканальной системы ключевого усиления с многоканальной ШИМ при последовательном трансформаторном сложении выходных сигналов отдельных каналов усиления. Такой принцип реализации обеспечивает повышение суммарной частоты импульсного преобразования в N раз (где N - количество каналов ключевого усиления).The implementation of the N-channel SHIP 3, N-channel CMC 4 and N-channel transformer adder 6 is carried out according to the known rules [1, 2, 5], corresponding to the construction of a multi-channel key amplification system with multi-channel PWM with sequential transformer addition of the output signals of individual amplification channels. This implementation principle provides an increase in the total frequency of the pulse conversion by N times (where N is the number of key gain channels).

Контроль входного тока отдельных каналов ключевого усиления осуществляется N-канальным пороговым датчиком тока, реализация которого обеспечивается по известным правилам [5], на основе применения N датчиков тока с гальванической развязкой, выполненных, например, на трансформаторах тока. В составе N-канального порогового датчика тока реализуется известная схема выделения максимального значения тока каналов Iмк и его сравнения с пороговым значением Iпк. По результату сравнения обеспечивается импульсное формирование команды ЗАПРЕТ, поступающей на установочную триггерную схему запрета в составе N-канального ШИП.The input current of individual key amplification channels is controlled by an N-channel threshold current sensor, the implementation of which is ensured according to the well-known rules [5], based on the use of N galvanically isolated current sensors made, for example, on current transformers. The composition of the N-channel threshold current sensor implements the well-known scheme for allocating the maximum current value of channels I micron and its comparison with the threshold value of I pc . Based on the comparison result, the pulse generation of the PROHIBIT command is supplied to the installation trigger trigger inhibit circuit in the N-channel SHIP.

Согласно известному техническому решению устройства-прототипа N-канальный ШИП реализуется на N-канальном генераторе пилообразного напряжения и N компараторах, обеспечивающих формирование N сигналов с ШИМ по результату сравнения входного сигнала с соответствующими пилообразными напряжениями. Также, по известным правилам, N-канальный ШИП может быть выполнен N-канальной схемой разрешения и триггерной схемой запрета. При этом сигналы ШИМ на выходы N-канального ШИП проходят только при наличии команды РАЗРЕШЕНИЯ в условиях отсутствия команды ЗАПРЕТ.According to the well-known technical solution of the prototype device, the N-channel NIBP is implemented on an N-channel sawtooth generator and N comparators, which provide the formation of N signals with PWM by comparing the input signal with the corresponding sawtooth voltages. Also, according to well-known rules, an N-channel SHIP can be performed by an N-channel resolution circuit and a trigger inhibit circuit. In this case, the PWM signals to the outputs of the N-channel SHIP pass only if the RESOLUTION command is available in the absence of the PROHIBIT command.

Формирование команды ЗАПРЕТ соответствует выполнению условия:The formation of the FORBID command corresponds to the fulfillment of the condition:

Figure 00000001
Figure 00000001

где Iмк - выходной ток отдельного канала N-канального КУМ; Iпк - предельно допустимое значение выходного тока канала КУМ.where I u - output current individual channel N-channel AFB; I pc - the maximum permissible value of the output current of the KUM channel.

При этом команду ЗАПРЕТ обрабатывает триггерная схема N-канального ШИП, выходной сигнал которой запрещает прохождение сигналов ШИМ на весь цикл излучения. Сброс команды ЗАПРЕТ происходит при снятии команды РАЗРЕШЕНИЕ перед следующим циклом излучения.In this case, the PROHIBITION command is processed by the trigger circuit of the N-channel PWM, the output signal of which prohibits the passage of PWM signals for the entire radiation cycle. The RESET command is reset when the RESOLUTION command is removed before the next radiation cycle.

Техническая реализация N-канального модуля КУМ основана на известных правилах построения оконечных каскадов усилителей класса D, изложенных в [1]. Как правило, отдельный канал КУМ выполняется по полумостовой схеме оконечного каскада на сильноточных полевых транзисторах и импульсных диодах, обеспечивающих высокоэффективное ключевое усиление мощности выходного импульсного сигнала соответствующего канала N-канального ШИП.The technical implementation of the N-channel KUM module is based on the well-known rules for constructing the terminal stages of class D amplifiers, described in [1]. As a rule, a separate KUM channel is performed according to the half-bridge circuit of the terminal stage on high-current field-effect transistors and pulse diodes, which provide a highly effective key gain in the output pulse signal power of the corresponding channel of the N-channel ICP.

Защита каналов КУМ от экстремальных режимов и токовых перегрузок, вызванных неисправностью каналов трансформаторного сумматора, резким изменением параметров ШИМ либо другими аварийными ситуациями, обеспечивается N-канальным пороговым датчиком тока. Каналы датчика 5 могут быть выполнены по известным правилам с использованием, например, трансформаторов тока либо токовых датчиков на эффекте Холла. Функция N-канального порогового датчика тока определяется выражением (1), определяющим формирование команды ЗАПРЕТ при превышении выходного тока Iмк одного из каналов КУМ предельно допустимого значения Iпк, установленного исходя из требований безаварийной работы N-канального КУМ.Protection of the KUM channels from extreme conditions and current overloads caused by a malfunction of the transformer adder channels, a sharp change in the PWM parameters or other emergency situations is provided by an N-channel threshold current sensor. The sensor channels 5 can be performed according to well-known rules using, for example, current transformers or Hall effect current sensors. The function of the N-channel threshold current sensor is determined by the expression (1), which determines the formation of the FORBID command when the output current I μ of one of the CMC channels exceeds the maximum permissible value of I pc , established on the basis of the requirements for trouble-free operation of the N-channel CMC.

N-канальный трансформаторный сумматор 6 выполнен по известным правилам на ряде трансформаторов, вторичные обмотки которых включены последовательно, а первичные обмотки подключены через каналы порогового датчика тока к выходам каналов N-канального КУМ 4. В результате на выходных шинах трансформаторного сумматора формируется суммарное импульсное напряжение, соответствующее сигналу с многоканальной ШИМ.The N-channel transformer adder 6 is made according to well-known rules on a number of transformers, the secondary windings of which are connected in series, and the primary windings are connected through the channels of the threshold current sensor to the channel outputs of the N-channel KUM 4. As a result, the total pulse voltage is formed on the output buses of the transformer adder, corresponding to a signal with multi-channel PWM.

Известный метод многоканальной ШИМ позволяет в N раз увеличить результирующую частоту импульсного преобразования и значительно улучшить структуру спектра суммарного импульсного сигнала. Высокочастотные составляющие импульсного сигнала группируются вокруг гармоник суммарной частоты ωN The well-known multichannel PWM method allows N times to increase the resulting frequency of the pulse conversion and significantly improve the spectrum structure of the total pulse signal. The high-frequency components of the pulse signal are grouped around the harmonics of the total frequency ω N

Figure 00000002
Figure 00000002

где ω - частота преобразования ШИМ в отдельном канале КУМ.where ω is the frequency of the PWM conversion in a separate KUM channel.

Выделение полезного сигнала частотного диапазона Ωн<Ω<Ωв из суммарного импульсного напряжения при условии Ωв<<ωN не представляет технических сложностей и может быть проведено по известным правилам с использованием ФНЧ. Для возбуждения акустических излучателей АИ на основе пьезоактивных материалов с выраженной емкостной составляющей импеданса обычно в качестве ФНЧ используется дроссель, индуктивность L которого, совместно с емкостью нагрузки С, образует фильтр с частотой среза Ωc:Isolation of the useful signal of the frequency range Ω n <Ω <Ω in from the total pulse voltage under the condition Ω in << ω N does not present technical difficulties and can be carried out according to well-known rules using the low-pass filter. To excite acoustic acoustic emitters of AI based on piezoactive materials with a pronounced capacitive component of impedance, a choke is usually used as a low-pass filter, the inductance L of which, together with the load capacitance C, forms a filter with a cutoff frequency Ω c :

Figure 00000003
Figure 00000003

Датчик 8 тока обеспечивает формирование сигнала I, пропорционального току возбуждения АИ. Датчик 8 так же, как каналы N-канального порогового датчика тока, может быть выполнен по известным правилам, например, на основе трансформаторов тока.The current sensor 8 provides the formation of a signal I proportional to the excitation current of the AI. The sensor 8 as well as the channels of the N-channel threshold current sensor can be performed according to known rules, for example, based on current transformers.

Выходной ток N-канального трансформаторного сумматора 6 определяется формой и уровнем суммарного напряжения в диапазоне рабочих частот, а также импедансом нагрузки Z(Ω). В типичном случае для гармонического сигнала возбуждения частотой Ω и амплитудой напряжения Uм выходной ток и, соответственно, сигнал датчика 8 могут быть определены выражением:The output current of the N-channel transformer adder 6 is determined by the shape and level of the total voltage in the operating frequency range, as well as the load impedance Z (Ω). In a typical case, for a harmonic excitation signal with a frequency of Ω and a voltage amplitude of U m, the output current and, accordingly, the signal of the sensor 8 can be determined by the expression:

Figure 00000004
Figure 00000004

где Z(Ω) - импеданс акустического излучателя на частоте Ω; Kф - коэффициент передачи ФНЧ; K1 - коэффициент преобразования датчика 8.where Z (Ω) is the impedance of the acoustic emitter at a frequency of Ω; K f - transfer coefficient LPF; K 1 - conversion coefficient of the sensor 8.

Выходное напряжение заявляемого генераторного устройства определяется формирователем 1, выходное напряжение которого поступает на вход N-канального ШИП 3 через устройство управления 2. Отличительной способностью формирователя сигнала в составе заявляемого устройства является дополнительное формирование команды РАЗРЕШЕНИЕ, определяющее цикл излучения, а также наличие шины данных кода амплитуды сигнала. Введенные дополнения обеспечиваются в рамках известных правил реализации цифроаналоговых формирователей сигнала и могут быть реализованы типовыми аппаратно-программными средствами.The output voltage of the inventive generator device is determined by the shaper 1, the output voltage of which is supplied to the input of the N-channel SHIP 3 through the control device 2. The distinctive ability of the signal shaper as part of the inventive device is the additional generation of the RESOLUTION command, which determines the radiation cycle, as well as the presence of the amplitude code data bus signal. The introduced additions are provided within the framework of the well-known rules for the implementation of digital-to-analog signal conditioners and can be implemented using standard hardware and software tools.

Как правило, в библиотеке сигналов формирователя 1 реализуются гармонические частотно-модулированные сигналы с медленно изменяющимися частотой Ω и амплитудой m, что соответствует формированию сигнала U(t):As a rule, in the signal library of the driver 1, harmonic frequency-modulated signals with slowly varying frequency Ω and amplitude m are realized, which corresponds to the formation of the signal U (t):

Figure 00000005
Figure 00000005

где Uм - номинальная амплитуда сигнала.where U m - amplitude of the nominal signal.

При этом дополнительно формируются данные цифрового кода амплитуды сигнала Sm(t), значение которого определяет амплитуду формируемого сигнала.In this case, data of a digital signal amplitude code Sm (t) is additionally generated, the value of which determines the amplitude of the generated signal.

Величина кода Sm соответствует возможности уменьшения амплитуды сигнала от номинального Uм до минимального значения.The value of the code Sm corresponds to the possibility of reducing the amplitude of the signal from the nominal U m to the minimum value.

Устройство 2 управления в составе предлагаемого устройства содержит параметрический усилитель 2.1 и вычитающее устройство 2.2. Параметрический усилитель обеспечивает масштабирование амплитуды выходного формирователя сигнала пропорционально значению кода, поступающего на вход кода усиления (ослабления) с выхода цифрового сумматора 13. Выходной сигнал Uп параметрического усилителя поступает на вход вычитающего устройства, на второй вход которого поступает сигнал U1 с выхода порогового усилителя 9.The control device 2 as part of the proposed device contains a parametric amplifier 2.1 and a subtractor 2.2. The parametric amplifier provides scaling of the amplitude of the output signal shaper in proportion to the value of the code supplied to the input of the gain (attenuation) code from the output of the digital adder 13. The output signal U p of the parametric amplifier is fed to the input of the subtractor, the second input of which receives the signal U 1 from the output of the threshold amplifier 9.

Вычитающее устройство 2.2 формирует на выходе разностный сигнал Up:2.2 subtractor outputs a difference signal U p:

Figure 00000006
Figure 00000006

Сигнал Up является модулирующим воздействием на входе N-канального ШИП, под действием которого формируются импульсные сигналы ШИМ отдельных каналов и, соответственно, импульсные напряжения каналов N-канального КУМ в цикле излучения. В результате полезные низкочастотные составляющие суммарного импульсного сигнала на выходе N-канального трансформаторного сумматора также определяются сигналом Up:The signal U p is the modulating effect at the input of the N-channel SHIP, under the action of which pulse signals of the PWM of individual channels and, accordingly, the pulse voltage of the channels of the N-channel CMF are generated in the radiation cycle. As a result, the useful low-frequency components of the total pulse signal at the output of the N-channel transformer adder are also determined by the signal U p :

Figure 00000007
,
Figure 00000007
,

где Кшим - коэффициент усиления канала КУМ, N - количество каналов, Kт - коэффициент трансформации канала сумматора 6.where K PWM is the gain of the KUM channel, N is the number of channels, K t is the transformation coefficient of the adder channel 6.

Пороговый усилитель 9 предназначен для усиления выходного сигнала I датчика тока при превышении его величины пороговых значений ±I2. При этом выходной сигнал U1 порогового усилителя 9 может быть определен следующим выражением:The threshold amplifier 9 is designed to amplify the output signal I of the current sensor when its threshold values are exceeded ± I 2 . In this case, the output signal U 1 of the threshold amplifier 9 can be determined by the following expression:

Figure 00000008
Figure 00000008

где KOCI - коэффициент усиление сигнала обратной связи по току.where K OCI is the gain of the current feedback signal.

Для реализации порогового усилителя 9 может быть использован пороговый аттенюатор с обратимым стабилитроном и операционный усилитель с заданным коэффициентом усиления.To implement the threshold amplifier 9, a threshold attenuator with a reversible zener diode and an operational amplifier with a given gain can be used.

Амплитудный детектор 10 должен обеспечивать выделение медленно изменяющегося сигнала AI, пропорционального амплитуде выходного сигнала I датчика тока. Для реализации такого устройства может быть использована простейшая схема двухполупериодного выпрямителя, нагруженного на емкостную нагрузку с известной постоянной времени разряда, существенно большей периода формируемого сигнала.The amplitude detector 10 should provide a slowly varying signal AI proportional to the amplitude of the output signal I of the current sensor. To implement such a device, the simplest circuit of a half-wave rectifier loaded on a capacitive load with a known discharge time constant that is significantly longer than the period of the generated signal can be used.

Пороговый усилитель 11 предназначен для усиления однополярного сигнала AI при его превышении порогового значения I1. Выходной сигнал порогового усилителя 11 определяется следующим соотношением:The threshold amplifier 11 is designed to amplify a unipolar signal AI when it exceeds the threshold value I 1 . The output signal of the threshold amplifier 11 is determined by the following ratio:

Figure 00000009
Figure 00000009

где KOCI - коэффициент обратной связи по сигналу амплитудного детектора выходного тока.where K OCI is the feedback coefficient for the signal of the amplitude detector of the output current.

Реализация порогового усилителя 11 аналогична решению, предложенному для выполнения порогового усилителя 9.The implementation of the threshold amplifier 11 is similar to the solution proposed for the implementation of the threshold amplifier 9.

Следует отметить, что пороги I1 и I2 устанавливаются таким образом, что формирование сигнала ΔА согласно (8) происходит до формирования сигнала U1 в соответствии с условием (7). Как правило, значения Iпк, I2 и I1 выбираются из условия:It should be noted that the thresholds I 1 and I 2 are set so that the formation of the signal ΔA according to (8) occurs before the formation of the signal U 1 in accordance with condition (7). Generally, the values of I pc, I 2 and I 1 are chosen from the condition:

Figure 00000010
Figure 00000010

АЦП 12 обеспечивает преобразование аналогового сигнала ΔА в цифровой код SΔ для передачи на вторую шину данных сумматора 13, на первую шину данных которого поступает код амплитуды Sm с выходной шины формирователя сигнала.The ADC 12 provides the conversion of the analog signal ΔA into a digital code SΔ for transmission to the second data bus of the adder 13, the first data bus of which receives the amplitude code Sm from the output bus of the signal conditioner.

Выходная шина данных сумматора 13 формирует цифровой код SA, пропорциональный разности кодов входных шин:The output data bus of the adder 13 generates a digital code SA proportional to the difference of the input bus codes:

Figure 00000011
Figure 00000011

Реализация блоков 12 и 13 обеспечивается с использованием стандартных микросхем АЦП и цифровых преобразователей кода.The implementation of blocks 12 and 13 is provided using standard ADC chips and digital code converters.

Приведенный принцип действия и примеры технических решений вновь введенных блоков заявляемого технического решения подтверждают реализуемость изобретения и позволяют наиболее простым образом выполнить задачу повышения энергетической эффективности и надежности работы генераторного устройства для возбуждения акустических излучателей в условиях значительного изменения импеданса нагрузки.The principle of operation and examples of technical solutions of the newly introduced blocks of the claimed technical solution confirm the feasibility of the invention and allow the simplest way to perform the task of increasing the energy efficiency and reliability of the generator device for exciting acoustic emitters under conditions of a significant change in the load impedance.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.The work of the proposed device is as follows.

Сигнал U с выхода формирователя 1 поступает на вход параметрического усилителя 2.1, где усиливается до заданного уровня в соответствии с кодом Sm, который передается от шины данных кода амплитуды формирователя сигнала через цифровой сумматор на шину кода усиления. Далее сигнал с выхода параметрического усилителя без изменения амплитуды и формы поступает через вычитающее устройство 2.2 на вход N-канального ШИП 3, где преобразуется в ряд последовательностей импульсов с ШИМ.The signal U from the output of the driver 1 is fed to the input of the parametric amplifier 2.1, where it is amplified to a predetermined level in accordance with the code Sm, which is transmitted from the data bus of the amplitude code of the signal driver through a digital adder to the bus of the gain code. Next, the signal from the output of the parametric amplifier without changing the amplitude and shape is fed through a subtractor 2.2 to the input of the N-channel PWM 3, where it is converted into a series of pulse sequences with PWM.

Начальное сохранение заданной амплитуды соответствует условию отсутствия сигнала U1 на выходе порогового усилителя 9 и равенству кода SΔ=0 на выходе АЦП 12.The initial preservation of the given amplitude corresponds to the condition for the absence of a signal U 1 at the output of the threshold amplifier 9 and the equality of the code SΔ = 0 at the output of the ADC 12.

При поступлении команды РАЗРЕШЕНИЕ сигналы ШИМ с выхода N-канального ШИП поступают на входы каналов N-канального КУМ 4, на выходах которых формируются модулированные импульсные напряжения, которые через N-канальный пороговый датчик тока передаются на выходы N-канального трансформаторного сумматора.Upon receipt of the RESOLUTION command, the PWM signals from the output of the N-channel SHIP are fed to the inputs of the channels of the N-channel CMC 4, the outputs of which generate modulated pulse voltages, which are transmitted through the N-channel threshold current sensor to the outputs of the N-channel transformer adder.

В результате на его выходах формируется суммарное импульсное напряжение, низкочастотная составляющая которого Vн по форме соответствует исходному сигналу формирователя 1 и пропорциональна амплитуде. При соответствующем выборе параметров ФНЧ сигнал возбуждения АИ практически совпадает с Vн, что обеспечивает номинальный режим работы ГУ.As a result at its output generates cumulative pulse voltage, the low frequency component V n which corresponds in shape to the original signal generator 1 and proportional to the amplitude. With the appropriate choice of LPF parameters, the AI excitation signal practically coincides with V n , which ensures the nominal operation mode of the PG.

Такой режим сохраняется для всех значений входного тока, не превышающих первое пороговое значение I1.This mode is maintained for all input current values not exceeding the first threshold value I 1 .

При медленном изменении параметров сигнала в условиях плавного уменьшения нагрузки амплитуда выходного тока и, соответственно, сигнал I на выходе датчика тока плавно возрастает, и выходной сигнал AI амплитудного детектора 10 может превысить установленное пороговое значение I1 порогового усилителя 11. В этом случае на выходе порогового усилителя 11 формируется уровень ΔА, который преобразуется АЦП 12 в код SΔ, поступающий на вторую шину данных цифрового сумматора 13.When the signal parameters change slowly under conditions of a smooth decrease in the load, the amplitude of the output current and, accordingly, the signal I at the output of the current sensor smoothly increases, and the output signal AI of the amplitude detector 10 can exceed the set threshold value I 1 of the threshold amplifier 11. In this case, the output of the threshold amplifier of the amplifier 11, a level ΔA is formed, which is converted by the ADC 12 into the code SΔ, which arrives at the second data bus of the digital adder 13.

Далее, согласно (10), включается обратная связь огибающей амплитуды выходного тока и обеспечивается компенсация амплитуды выходного сигнала параметрического усилителя 2.1 при соответствующем уменьшении амплитуды выходного сигнала Uв, поступающего на возбуждение АИ. Глубина обратной связи по огибающей амплитуды выходного тока может быть обеспечена не менее 20 дБ, что позволяет сохранить номинальную амплитуду тока возбуждения АИ с превышением не более чем на 10% в условиях десятикратного изменения импеданса нагрузки.Further, according to (10), the feedback of the envelope of the amplitude of the output current is turned on and compensation of the amplitude of the output signal of the parametric amplifier 2.1 is ensured with a corresponding decrease in the amplitude of the output signal U into the AI excitation. The feedback depth on the envelope of the amplitude of the output current can be provided at least 20 dB, which allows you to maintain the nominal amplitude of the excitation current of the AI with a maximum of 10% in excess under conditions of a tenfold change in the load impedance.

Достоинством такой обратной связи является обеспечение работоспособности ГУ при сохранении заданной формы сигнала возбуждения АИ.The advantage of such feedback is to ensure the operability of the GU while maintaining the given shape of the AI excitation signal.

Однако, особенностью обратной связи по амплитуде выходного тока является значительная постоянная времени обработки, которая может превышать десятки периодов рабочей частоты. При этом в условиях резкого изменения импеданса нагрузки выходной ток может значительно превысить установленное значение I1. При динамическом увеличении выходного сигнала датчика тока 8 более второго порогового значения I2, согласно выражению (7), включается обратная связь по мгновенным значениям выходного тока. В этих условиях на выходе порогового усилителя 9 формируется сигнал UI, который поступает на вход вычитающего устройства 2.2, где согласно (6) формируется разностный сигнал Up, чем достигается режим динамического ограничения тока. В этом режиме максимальное значение выходного тока ГУ превышает установленное граничное значение I2 не более чем на 20% даже в режиме короткого замыкания.However, a feedback feature in terms of the amplitude of the output current is a significant processing time constant, which can exceed dozens of operating frequency periods. Moreover, under conditions of a sharp change in the load impedance, the output current can significantly exceed the set value of I 1 . With a dynamic increase in the output signal of the current sensor 8 over the second threshold value I 2 , according to expression (7), feedback on the instantaneous values of the output current is turned on. Under these conditions, a signal U I is generated at the output of the threshold amplifier 9, which is fed to the input of a subtractor 2.2, where, according to (6), a difference signal U p is generated, thereby achieving a mode of dynamic current limitation. In this mode, the maximum value of the output current of the PG exceeds the set boundary value of I 2 by no more than 20% even in the short circuit mode.

Следует отметить, что при наличии режима динамического ограничения выходного тока продолжается действие механизма параметрического уменьшения амплитуды выходного напряжения, что приводит к плавному восстановлению формы генерируемого сигнала при уменьшении амплитуды выходного тока ниже границы I2.It should be noted that in the presence of a mode of dynamic limitation of the output current, the mechanism of parametric reduction of the amplitude of the output voltage continues, which leads to a smooth restoration of the shape of the generated signal when the amplitude of the output current decreases below the boundary I 2 .

Если в цикле излучения происходит восстановление импедансных характеристик нагрузки либо обеспечивается уменьшение амплитуды формируемого сигнала согласно установленной циклограмме работы, то механизмы компенсации перегрузки ГУ отключаются и заявляемое устройство переходит в номинальный режим работы.If in the radiation cycle there is a restoration of the impedance characteristics of the load or a decrease in the amplitude of the generated signal is ensured according to the established operation sequence, then the GI overload compensation mechanisms are disabled and the claimed device goes into the nominal operation mode.

В предлагаемом устройстве так же, как и в известном, реализуется режим отключения цикла излучения по команде ЗАПРЕТ при превышении выходного тока отдельных каналов КУМ установленного предельного значения Iпм. Но такой режим используется только при наличии аварийной ситуации либо при выходе из строя отдельных каналов с целью предотвращения расширения неисправности. В случае сохранения функциональной работоспособности совокупности блоков и связей в предлагаемом устройстве обеспечивается режим возбуждения АИ в условиях изменения импеданса нагрузки в широких пределах. При этом сохраняется форма сигнала возбуждения для заданного номинального выходного тока в условиях значительного уменьшения импеданса нагрузки. Причем в случае резкого динамического уменьшения импеданса нагрузки обеспечивается режим динамического ограничения выходного тока.In the proposed device, as well as in the known one, the radiation cycle shutdown mode is implemented by the PROHIBITION command when the output current of individual KUM channels exceeds the set limit value I pm . But this mode is used only in the event of an emergency or in case of failure of individual channels in order to prevent the expansion of the malfunction. In the case of maintaining the functional operability of the aggregate of blocks and connections in the proposed device provides a mode of excitation of AI in the conditions of changing load impedance over a wide range. At the same time, the excitation waveform is maintained for a given rated output current under conditions of a significant reduction in load impedance. Moreover, in the case of a sharp dynamic decrease in the load impedance, a mode of dynamic limitation of the output current is provided.

В результате, если для предлагаемого устройства при изменении импеданса нагрузки в диапазоне 0,4-1,5Zн достигается возбуждение АИ сигналом номинальной мощности, при сохранении высокого КПД 95%, то в известных устройствах в этих условиях мощность возбуждения уменьшается более чем в два раза при уменьшении КПД до 90%.As a result, if for the proposed device when changing the load impedance in the range of 0.4-1.5Z n , AI excitation is achieved by a signal of rated power, while maintaining a high efficiency of 95%, then in known devices under these conditions the excitation power decreases by more than two times with a decrease in efficiency up to 90%.

Следует отметить, что в заявляемом техническом решении реализация механизмов компенсации для динамического ограничения тока и параметрического управления огибающей амплитуды сигнала позволяет значительно повысить надежность и эффективность работы ГУ.It should be noted that in the claimed technical solution, the implementation of compensation mechanisms for dynamic current limitation and parametric control of the envelope of the signal amplitude can significantly increase the reliability and efficiency of the PG.

Совокупность преимуществ заявляемого устройства выгодно отличает его от известных устройств и позволяет внедрить предлагаемое техническое решение в генераторные устройства гидроакустических трактов и технологических комплексов звукового энергетического воздействия. В настоящее время разработан и прошел испытания образец генераторного устройства на основе 4-канального КУМ для технологического тракта звукового воздействия на продуктивную зону нефтедобывающей скважины. Опытный образец ГУ при максимально допустимой мощности 16 кВА обеспечивает номинальный режим работы 12 кВА при КПД 95%, при обеспечении устойчивой работы в условиях уменьшения нагрузки в 2-4 раза без срывов цикла излучения.The combination of advantages of the claimed device compares it favorably with the known devices and allows you to implement the proposed technical solution in the generator device sonar paths and technological complexes of sound energy exposure. Currently, a sample of a generator device based on a 4-channel KUM for a technological path of sound impact on a productive zone of an oil producing well has been developed and tested. A pilot sample of a control unit with a maximum permissible power of 16 kVA provides a nominal operating mode of 12 kVA with an efficiency of 95%, while ensuring stable operation under conditions of a reduced load of 2-4 times without interruption in the radiation cycle.

Проведенные экспериментальные исследования показали преимущества заявляемого технического решения, что подтверждает обоснованность его внедрения в излучающих акустических трактах звукового и ультразвукового диапазонов.The conducted experimental studies showed the advantages of the claimed technical solution, which confirms the validity of its implementation in the emitting acoustic paths of the sound and ultrasonic ranges.

Источники информацииInformation sources

1. Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.: Связь, 1980. с. 207.1. Artym A.D. Class D amplifiers and key generators in radio communications and broadcasting. M .: Communication, 1980.p. 207.

2. Кибакин В.М. Основы ключевых методов усиления. М.: Энергия, 1980, с. 232.2. Kibakin V.M. The basics of key gain methods. M .: Energy, 1980, p. 232.

3. Патент РФ №2188498, МКИ H03F 3/217. Двухканальный усилитель класса D. 2002 г.3. RF patent No. 2188498, MKI H03F 3/217. Class D Dual Channel Amplifier. 2002

4. А.с. 15315186, МКИ H03K 3/02. Ключевой генератор тока преимущественно для геоэлетроразведки. 1989 г.4. A.S. 15315186, MKI H03K 3/02. A key current generator primarily for geo-electrical exploration. 1989 year

5. Патент РФ №2195687, МКИ G01S 7/524. Гидроакустический передающий тракт. 2002 г.5. RF patent No. 2195687, MKI G01S 7/524. Hydroacoustic transmission path. 2002 year

Claims (1)

Генераторное устройство для возбуждения акустических излучателей, содержащее последовательно соединенные формирователь сигналов, устройство управления и N-канальный ШИП, выходы которого через последовательно включенные каналы N-канального КУМ и N-канального порогового датчика тока соединены со входами N-канального трансформаторного сумматора, первый и второй выходы которого соединены через фильтр нижних частот и датчика тока с первой и второй шинами возбуждения акустических излучателей, а выход N-канального порогового датчика тока соединен с входом запрета N-канального ШИП, отличающееся тем, что в его состав дополнительно введены первый и второй пороговые усилители, амплитудный детектор, аналогово-цифровой преобразователь и цифровой сумматор, причем формирователь сигналов дополнительно содержит шину данных кода амплитуды и выход разрешения, а в устройство управления включены параметрический усилитель с шиной кода усиления, вход которого является входом устройства управления, и вычитающее устройство, выход которого является выходом устройства управления, первый вход вычитающего устройства соединен через дополнительный вход устройства управления с выходом первого порогового усилителя, а второй вход соединен с выходом параметрического усилителя, шина кода управления которого в свою очередь через соответствующую шину данных устройства управления подключена к выходной шине цифрового сумматора, первая входная шина данных которого подключена к шине данных кода амплитуды формирователя сигналов, а вторая шина данных - к выходной шине аналогово-цифрового преобразователя, вход которого подключен к выходу второго порогового усилителя, соединенного входом с выходом амплитудного детектора, вход которого подключен к выходу датчика тока и входу первого порогового усилителя.A generator device for exciting acoustic emitters, comprising a serially connected signal driver, a control device and an N-channel SHIP, the outputs of which are connected to the inputs of the N-channel transformer adder through the series-connected channels of the N-channel CMC and N-channel threshold current sensor, the first and second the outputs of which are connected through a low-pass filter and a current sensor with the first and second excitation buses of acoustic emitters, and the output of the N-channel threshold current sensor with it is single with the N-channel SHIP inhibit input, characterized in that it includes an additional first and second threshold amplifiers, an amplitude detector, an analog-to-digital converter, and a digital adder, the signal conditioner additionally containing an amplitude code data bus and a resolution output, and the control device includes a parametric amplifier with a gain code bus, the input of which is the input of the control device, and a subtractor device, the output of which is the output of the control device, the first the path of the subtracting device is connected through an additional input of the control device to the output of the first threshold amplifier, and the second input is connected to the output of the parametric amplifier, the control code bus of which, in turn, is connected to the output bus of the digital adder, the first input data bus of which is connected to the data bus of the amplitude code of the signal driver, and the second data bus to the output bus of the analog-to-digital converter, the input of which is connected to the output of the second threshold amplifier connected by an input to the output of the amplitude detector, the input of which is connected to the output of the current sensor and the input of the first threshold amplifier.
RU2015142543A 2015-10-06 2015-10-06 Generator for exciting ultrasound radiators RU2644118C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015142543A RU2644118C1 (en) 2015-10-06 2015-10-06 Generator for exciting ultrasound radiators

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015142543A RU2644118C1 (en) 2015-10-06 2015-10-06 Generator for exciting ultrasound radiators

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2644118C1 true RU2644118C1 (en) 2018-02-07

Family

ID=61173482

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015142543A RU2644118C1 (en) 2015-10-06 2015-10-06 Generator for exciting ultrasound radiators

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2644118C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2718003C1 (en) * 2019-03-26 2020-03-27 Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" Digital control method of key generator unit of ultrasonic range
RU2723463C1 (en) * 2019-10-21 2020-06-11 Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" Transmitting path for excitation of hydroacoustic antenna
RU2744717C1 (en) * 2020-01-20 2021-03-15 Сергей Александрович Турко Acoustic borehole radiator
RU2795793C1 (en) * 2022-08-31 2023-05-11 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Class d amplifier with parametric control

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU395826A1 (en) * 1971-01-25 1973-08-28 METHOD OF SYNCHRONIZED CONTROL OF A WIDE-PULSE REGULATOR
SU1555815A1 (en) * 1987-12-30 1990-04-07 Предприятие П/Я В-2962 D-amplifier
JPH04207973A (en) * 1990-11-30 1992-07-29 Honda Motor Co Ltd Inverter unit
JPH04261394A (en) * 1991-02-14 1992-09-17 Toshiba Corp Pwm control voltage type inverter
RU2195687C2 (en) * 2001-03-05 2002-12-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Hydroacoustic transmission path
RU2235352C2 (en) * 2002-11-04 2004-08-27 Государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро приборостроения" Method for regulating nominal load current and device for realization of said method
US20120153921A1 (en) * 2010-12-16 2012-06-21 Brokaw A Paul Methods and apparatuses for combinations of current feedback for frequency compensation, overload detection, and super overload detection in switching power conversion
JP2013192135A (en) * 2012-03-15 2013-09-26 Panasonic Corp Doherty amplifier

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU395826A1 (en) * 1971-01-25 1973-08-28 METHOD OF SYNCHRONIZED CONTROL OF A WIDE-PULSE REGULATOR
SU1555815A1 (en) * 1987-12-30 1990-04-07 Предприятие П/Я В-2962 D-amplifier
JPH04207973A (en) * 1990-11-30 1992-07-29 Honda Motor Co Ltd Inverter unit
JPH04261394A (en) * 1991-02-14 1992-09-17 Toshiba Corp Pwm control voltage type inverter
RU2195687C2 (en) * 2001-03-05 2002-12-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Hydroacoustic transmission path
RU2235352C2 (en) * 2002-11-04 2004-08-27 Государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро приборостроения" Method for regulating nominal load current and device for realization of said method
US20120153921A1 (en) * 2010-12-16 2012-06-21 Brokaw A Paul Methods and apparatuses for combinations of current feedback for frequency compensation, overload detection, and super overload detection in switching power conversion
JP2013192135A (en) * 2012-03-15 2013-09-26 Panasonic Corp Doherty amplifier

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2718003C1 (en) * 2019-03-26 2020-03-27 Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" Digital control method of key generator unit of ultrasonic range
RU2723463C1 (en) * 2019-10-21 2020-06-11 Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" Transmitting path for excitation of hydroacoustic antenna
RU2744717C1 (en) * 2020-01-20 2021-03-15 Сергей Александрович Турко Acoustic borehole radiator
RU2795793C1 (en) * 2022-08-31 2023-05-11 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Class d amplifier with parametric control
RU2805305C1 (en) * 2022-11-16 2023-10-13 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Hydroacoustic log transmitting device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2644118C1 (en) Generator for exciting ultrasound radiators
US5521549A (en) Stabilization of closed-loop power controllers
EP2775599A1 (en) Boost converter
US6838862B2 (en) Pulse width modulator having reduced signal distortion at low duty cycles
EP2041867A2 (en) Amplifier employing interleaved signals for pwm ripple suppression
JPS6178211A (en) Digital-audio-amplifier
Pergushev et al. Output voltage PWM conversion inaccuracies in envelope tracking power supply for high peak-to-average power ratio applications
JP2012023732A (en) Apparatus for protecting analog input module
RU2723463C1 (en) Transmitting path for excitation of hydroacoustic antenna
EP1456943B1 (en) Attenuation control for digital power converters
US8791849B1 (en) Digital clock update methodology for multi-Nyquist constructive interference to boost signal power in radio frequency transmission
US20180254705A1 (en) Novel switching audio amplifier
RU2574813C1 (en) Multichannel amplifier of d class
Hosseini et al. Increasing the voltage of PFN impulse generator capacitors by converting it to boost converter
RU2816509C1 (en) Low frequency key amplification channel
JPH05160649A (en) Audio output protecting circuit
RU2795793C1 (en) Class d amplifier with parametric control
RU121408U1 (en) Microwave Amplifier Protection Device
RU2501155C1 (en) METHOD FOR POWER AMPLIFICATION ON GaN MICROWAVE TRANSISTORS AND PULSED MICROWAVE POWER AMPLIFIER
RU2195687C2 (en) Hydroacoustic transmission path
Ahmed et al. A single-phase quasi-Z-source AC-AC converter with high-frequency transformer isolation
Pillonnet et al. A topological comparison of PWM and hysteresis controls in switching audio amplifiers
RU2749015C1 (en) Analog signal amplifier
RU2810649C1 (en) Key stabilized converter
RU2805305C1 (en) Hydroacoustic log transmitting device

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181007

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20211213

PD4A Correction of name of patent owner