一种D类超声功率放大器及水声发射机

一种d类超声功率放大器及水声发射机
技术领域
1.本技术涉及水声技术领域，特别涉及一种d类超声功率放大器及水声发射机。


背景技术：

2.通信技术的载体一般是无线电波、光波和声波。无线电波和光波的优点在于其频率高，可携带信息量大，信息传输效率高。但是缺点也很明显，就是无线电波和光波在水中传输能量损耗极大。经研究发现，不同频率的电磁波在水下的损耗不一样，蓝绿光的损失最小。在不断增加激光发射功率的条件下，目前蓝绿光最大传输距离也仅有一百多米。声波是目前已知的唯一可以进行水下远距离通信的载体。同样受到传输损耗的影响，声波的频率越高，传输损耗越大，所以想要增加带宽，就必需要减少传输距离或者增加功率，声波的频率低于20hz的为次声波，高于20khz的为超声波，20hz至20khz范围内的为人类可以听见的声波。但无论如何，在要求的带宽低于兆赫兹的前提下，采用声波通信依然具有很大的优势。
3.d类功率放大器效率极高，而且属于数字电路，易于集成，可以将效率极高的d类功率放大器引进声波通信。开关管、驱动电路以及保护电路集成在一个芯片上，可以极大缩小功放的体积。目前d类功率放大器的技术已经很成熟，功率也已经能做到几百瓦。所以利用音频功放实现超声功率放大，不仅兼容性高，而且实用性强，但是，大多数d类功率放大器都是针对音频(可以听见的声波)领域的，不能直接用于超声通信发射机。
4.普通的音频集成功放的技术成熟，应用广泛，用来做水声发射机开发时间短，方便耐用。但是，如果想将其直接用于超声通信发射机，会出现波形严重畸变，信号质量差等问题。其本质原因在于音频功放的低通滤波器是针对音频频段去设计的，中心频率一般设计在10khz。所以当用于次生波发射或者超声波发射的时候，波形就会出现畸变。如果想要利用现有的音频功放芯片，就需要对整个水声发射机的功放有针对性地进行改变和设计。
5.图1为一种水声发射机的系统框图，如图1所示，目前水声发射机主要包括：信号发生装置、音频功放单元、低通滤波器、匹配元器件、变压器、换能器。目前现有的音频领域的d类功率放大器，为了提高效率，通常是用低通滤波器对将d类功率放大器的输出信号进行滤波处理，得到基波信号，然后再通过匹配和阻抗变换，将电信号转换成声信号。另一方面，目前水声发射机的负载是换能器，换能器作为容性负载的居多，所以功放在驱动换能器工作时，一般会采用感性匹配元器件抵消换能器负载中的容性成分。另外，负载中的阻抗不一定能满足功放的匹配阻抗要求，所以需要使用变压器对换能器阻抗进行变换，以便功放能够以最大功率驱动负载。
6.基于图1进行改造的水声发射机，音频功放单元与负载的换能器之间还包括“低通滤波器+匹配元器件+变压器”结构。低通滤波器一般采用lc滤波电路。低通滤波器的设计通常需要考电容电感的大小及材质，需要不断地测试和验证，最终才能设计出合适的频段的低通滤波器。音频功放设计技术成熟，通常在网上直接就可以找到合适的电容电感，但是超声功放参考设计相对较少，往往需要这种重复性地测试和验证。这种设计就显得非常复杂，
而且兼容性低、局限性大。


技术实现要素：

7.本技术的目的在于解决现有技术存在的缺陷。
8.本技术提供了一种d类超声功率放大器及水声发射机，对传统的“低通滤波器+匹配元器件+变压器”的结构模式进行了改进，同时对音频功放和超声功放的功能进行了兼容性设计。
9.第一方面，本技术提供了一种d类超声功率放大器，所述d类超声功率放大器包括：音频功放单元，用于对输入的基波信号进行调制和功率放大处理，得到脉冲宽度调制信号(pwm)；超声功放与音频功放兼容设计模块，用于对所述脉冲宽度调制信号(pwm)进行低通滤波，同时满足负载的匹配和阻抗变换的要求；兼容控制模块，所述兼容控制模块为断开状态时，超声功放与音频功放兼容设计模块因断路而不工作，所述兼容控制模块为导通状态时，所述超声功放与音频功放兼容设计模块处于工作状态；变压器，用于对所述脉冲宽度调制信号(pwm)进行信号处理，包括低通滤波、电压变换，得到放大的基波信号，以及通过改变所述变压器的变比和绕制圈数，用于满足负载的匹配和阻抗变换的要求；其中，输入的基波信号为超声信号时，所述兼容控制模块为断开状态，超声功放与音频功放兼容设计模块因断路而不工作，所述变压器起到低通滤波、电压变换、匹配和阻抗变换的作用，输入的基波信号为音频信号时，所述兼容控制模块为导通状态，所述超声功放与音频功放兼容设计模块处于工作状态，并起到低通滤波、匹配和阻抗变换的作用，所述变压器只起到电压变换的作用。
10.在一个可行的实施例中，所述d类超声功率放大器，还包括：差分处理单元，用于对基波信号进行差分处理，得到基波差分信号，所述基波差分信号用于音频功放单元的输入信号。
11.在一个可行的实施例中，所述差分处理单元包括：至少一个隔直电路、至少一个运算放大器。
12.在一个可行的实施例中，所述运算放大器包括：具有过压保护能力的运放芯片，例如ne5532，可以防止输入电压过大。
13.在一个可行的实施例中，所述音频功放单元包括：音频集成功放单元，或音频非集成功放单元。
14.在一个可行的实施例中，所述变压器还包括：初级圈数满足防止磁芯饱和的要求，同时初级和次级变比小于1的变压器。
15.在一个可行的实施例中，所述超声功放与音频功放兼容设计模块包括：lc滤波电路，用于对调制和功率放大的脉冲宽度调制信号(pwm)进行低通滤波处理，所述lc滤波电路包括lc滤波电感和/或lc滤波电容；匹配元器件，用于对所述d类超声功率放大器与负载之间的匹配和阻抗变换。
16.在一个可行的实施例中，所述d类超声功率放大器，还包括：供电系统，根据所选电路、芯片以及功率放大器等具体参数，确定所述供电系统的设计参数。
17.第二方面，本技术提供了一种水声发射机，所述水声发射机包括：信号发生装置，用于产生一定形式的信号；所述d类超声功率放大器，以所述一定形式的信号作为输入信
号，产生放大的基波信号；换能器，用于将放大的所述基波信号转换为声信号，辐射至介质中。
18.本技术基于变压器本身属于感性元器件，且具有滤波能力，通过合理地设计变压器的变比和绕制圈数，使用变压器替代传统的“低通滤波器+匹配元器件+变压器”的结构模式，同时具有兼容音频功放和超声功放的特点。
19.本技术提供了一种d类超声功率放大器，所述d类超声功率放大器包括：差分处理单元，音频功放单元，超声功放与音频功放兼容设计模块，变压器。本技术使用变压器替代传统的“低通滤波器+感性匹配元器件+变压器”的结构模式，结构简单，以及通过超声功放与音频功放兼容设计模块，具有兼容超声功放和音频功放的特点。
附图说明
20.图1为本技术背景技术的一种水声发射机的系统框图；
21.图2为本技术实施例的一种d类超声功率放大器的设计原理结构图图；
22.图3为本技术实施例的一种兼容超声功放和音频功放的d类超声功率放大器的设计原理结构图；
23.图4为本技术实施例的一种水声发射机的系统框图。
具体实施方式
24.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本技术，并不用于限定本技术。基于本技术中的实施例，本技术领域的技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
25.为了使公众对本技术有更好的了解，在下文对本技术的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本技术。
26.本技术提供了一种d类超声功率放大器，所述d类超声功率放大器包括：
27.音频功放单元，用于对输入的基波信号进行调制和功率放大处理，得到脉冲宽度调制信号(pwm)；
28.超声功放与音频功放兼容设计模块，用于对所述脉冲宽度调制信号(pwm)进行低通滤波，同时满足负载的匹配和阻抗变换的要求；
29.兼容控制模块，所述兼容控制模块为断开状态时，超声功放与音频功放兼容设计模块因断路而不工作，所述兼容控制模块为导通状态时，所述超声功放与音频功放兼容设计模块处于工作状态；
30.变压器，用于对所述脉冲宽度调制信号(pwm)进行信号处理，包括低通滤波、电压变换，得到放大的基波信号，以及通过改变所述变压器的变比和绕制圈数，用于满足负载的匹配和阻抗变换的要求；
31.其中，输入的基波信号为超声信号时，所述兼容控制模块为断开状态，超声功放与音频功放兼容设计模块因断路而不工作，所述变压器起到低通滤波、电压变换、匹配和阻抗
变换的作用，输入的基波信号为音频信号时，所述兼容控制模块为导通状态，所述超声功放与音频功放兼容设计模块处于工作状态，并起到低通滤波、匹配和阻抗变换的作用，所述变压器只起到电压变换的作用。
32.实施例1
33.图2为本技术实施例的一种d类超声功率放大器的框图。
34.如图2所示，对所述差分处理单元进一步说明。需要对输入信号进行差分处理，具体实现方法为：输入的基波信号为单端信号，使用隔直电路对单端信号去直流，用一个运算放大器得到差分信号并进行初步放大。运算放大器采用具有过压保护能力的运算放大器芯片，例如ne5532，可以防止输入电压过大。
35.如图2所示，对所述音频功放单元进一步说明。音频功放单元可以选择音频集成功放单元或音频非集成功放单元，由于采用音频集成功放单元结构简单，本技术采用音频集成功放单元。将差分信号输入音频集成功放单元芯片的输入端，进行合理的配置和设计，输出功率放大的脉冲宽度调制信号(pwm)。
36.如图2所示，对所述变压器部分进一步说明。将调制和功率放大的脉冲宽度调制信号(pwm)输入变压器。变压器的设计要求初级圈数要足够多，防止磁芯饱和，另外初级和次级变比应当小于1。从变压器出来的就是经过放大的超声频率范围的基波差分信号(超声频率范围：一般音频功放载波频率是采用硬件方式产生，且有几兆赫兹，所以基波信号(超声波)频率采用60khz-120khz)。
37.如图2所示，本技术实施例还包括供电系统。所述供电系统的设计，要根据所选的电路及芯片以及要求的放大倍数等具体参数进行设计。
38.本实施例的超声功放和音频功放兼容设计模块，通过更换变压器使得本实施例的具有兼容超声功放和音频功放的特点，即本实施例的变压器分为两类，一种为适合超声功放的变压器，一种为适合音频功放的变压器。两种变压器的作用都是：用于对所述调制和功率放大的脉冲宽度调制信号(pwm)进行信号处理，包括低通滤波、电压变换，得到放大的差分信号，以及通过改变所述变压器的变比和绕制圈数，用于满足负载的匹配和阻抗变换的要求。根据具体应用场景进行切换两种变压器。
39.本实施例的兼容控制模块，可以使用芯片控制、电子元器件控制、手动安装拆除控制等多种手段实现两种变压器的切换。
40.实施例2
41.图3为本技术实施例的一种兼容超声功放和音频功放的d类超声功率放大器的设计原理结构图。如图3所示，所述兼容超声功放和音频功放的d类超声功率放大器包括：
42.差分处理单元，用于对基波信号(单端信号)进行差分处理，包括隔直和运放，得到基波差分信号，所述基波差分信号用于音频功放单元的输入信号；
43.音频功放单元，本实施例为音频集成功放单元，用于对基波信号进行调制和功率放大处理，得到调制和功率放大的脉冲宽度调制信号(pwm)；
44.超声功放与音频功放兼容设计模块，用于对调制和功率放大的脉冲宽度调制信号(pwm)进行低通滤波，同时满足负载的匹配和阻抗变换的要求；
45.兼容控制模块，所述兼容控制模块为断开状态时，超声功放与音频功放兼容设计模块因断路而不工作，所述兼容控制模块为导通状态时，所述超声功放与音频功放兼容设
计模块处于工作状态；
46.变压器，用于对所述调制和功率放大的脉冲宽度调制信号(pwm)进行信号处理，包括低通滤波、电压变换，得到放大的差分信号，以及通过改变所述变压器的变比和绕制圈数，用于满足负载的匹配和阻抗变换的要求；
47.其中，输入的基波信号为超声信号时，所述兼容控制模块为断开状态，超声功放与音频功放兼容设计模块因断路而不工作，所述变压器起到低通滤波、匹配和阻抗变换的作用，输入的基波信号为音频信号时，所述兼容控制模块为导通状态，所述超声功放与音频功放兼容设计模块处于工作状态，并起到低通滤波、匹配和阻抗变换的作用，所述变压器只起到电压变换的作用。
48.本实施例的d类超声功率放大器的差分处理单元、音频功放单元、变压器部分，设计原理和实施例1一致，此处不在赘述。
49.如图3所示，本实施例与实施例1之间的区别主要在于超声功放与音频功放兼容设计模块和超声功放与兼容控制模块。
50.超声功放与音频功放兼容设计模块，位于在音频功放单元和变压器之间，所述超声功放与音频功放兼容设计模块包括：lc滤波电路，用于对调制和功率放大的脉冲宽度调制信号(pwm)进行低通滤波处理；匹配元器件，用于对所述d类超声功率放大器与负载之间的匹配和阻抗变换。本实施例的lc滤波电路包括lc滤波电感和/或lc滤波电容，本实施例的匹配元器件包括匹配电感。
51.兼容控制模块，可以使用芯片控制、电子元器件控制、手动安装拆除控制等多种手段实现。所述兼容控制模块为有断开和导通两种工作状态。处于断开状态时，超声功放与音频功放兼容设计模块因断路而不工作，相当于将音频功放单元输出的调制和功率放大的脉冲宽度调制信号(pwm)直接接到变压器初级，变压器次级直接连接负载，例如换能器，从而进行超声功放。处于导通状态时，所述超声功放与音频功放兼容设计模块处于工作状态，可以进行音频功放。从而使得本实施例的d类超声功率放大器具有兼容超声功放和音频功放的特点。
52.实施例3
53.图4为本技术实施例的一种水声发射机的框图。
54.如图4所示，本实施例提供了一种水声发射机，所述水声发射机包括：信号发生装置，用于产生一定形式的信号；所述d类超声功率放大器，以一定形式的所述信号作为输入信号，产生放大的基波信号；换能器，用于将放大的所述基波信号转换为声信号，辐射至介质中。
55.水下通信应用中的水声发射机一般与换能器相连接，如图4所示，但本技术的d类超声功率放大器的负载可以是换能器，也可以是其它负载。
56.以上所述的具体实施例，对本技术的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所以理解的是，以上所述仅为本技术的具体实施方式之一而已，并不用于限定本技术的保护范围，凡在本技术的精神和原则之内，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。