基于PWM和数字功放的水声发射机设计与实现

摘要

水声发射机在海洋资源开发和海洋工程装备中有着广泛的应用。其信号调制方式和功率放大器的选择对水声发射机的效率、体积和重量有很大影响，进而影响到水下定位、导航和探测等系统的定位精度以及作用距离等指标。因此，国内外近年来一直都在争相研制性能优越的数字功放式水声发射机。
　　PWM技术是一种脉冲调制方式，能够利用数字信号控制模拟电路，在测量和通信等许多领域中广泛应用。目前水声发射机的功放类型具有从AB类功放向数字功放转变的趋势，因此本论文设计了一种基于PWM技术和数字功放的水声发射机。
　　本文描述了论文背景和应用价值；阐述了水声发射机的特点、组成和主要技术指标；简介了数字功率放大器的结构原理及其主要运用；主要论述了PWM的基本原理和实用有效的信号产生方法，以及基于PWM技术和数字功放的水声发射机的系统原理和硬件电路设计；本文也对该水声发射机的单片机软件设计和可编程逻辑器件软件设计作了简要介绍，以便构成完整的水声发射机设备。
　　数字功率放大器是水声发射机的核心技术，也是研究的难点，按拓扑结构分为半桥和全桥两种。目前大多数数字功率放大器都用在中小功率的数码产品中，真正能直接应用于水声中大功率发射的很少。要选择体积小、效率高和总谐波失真低的数字功率放大器。因此，在本论文中，数字功率放大器电路设计采用了先进的TI公司集成数字功率放大器芯片进行设计，具有灵活性好、适应性强、集成度高、可靠性高和扩展性强等优点；采用单片机和CPLD联合电路作为信号调制处理平台具有处理能力强、实时性高、通用性好等特点，使系统处理性能大大提高。
　　一般情况下，水声工程中常用的发射换能器其阻抗呈阻容性，根据换能器匹配设计原理，要用变压器实现阻抗匹配，用电感匹配容抗换能器实现调谐匹配。在输出功率一定的情况下，使用串联匹配形式有助于减小变压器的体积和重量。因此在论文中对设计的水声发射机实验室调试过程作了介绍，最后在实验室的消声水池中测试了发射机的声源级，可达到187.99dB，满足技术指标要求。通过测试验证了设计的正确性，实现了预期目标。

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第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 国内外研究历史与现状

1.3 本论文的主要研究内容

第二章 水声发射机概述

2.1 水声发射机的特点

2.2 水声发射机的组成

2.3 水声发射机被用于测距的原理

2.4 水声发射机的主要技术指标

2.5 水声发射机设计注意事项

2.6 本章小结

第三章 水声功率放大器的原理和应用

3.1 水声功率放大器的特点

3.2 水声发射机常用的功率放大器类型

3.3 数字功率放大器的优势和特点

3.4 半桥和全桥的原理和应用

3.5 本章小结

第四章 水声发射机设计

4.1 水声发射机系统原理

4.2 PWM的原理和应用

4.3 PWM信号产生电路设计

4.4 单片机软件设计

4.5 CPLD控制电路设计

4.6 PWM控制设计

4.7 数字功率放大器设计

4.8 匹配原理和变压器设计原理和应用

4.9 电源选择

4.10 可靠性和电磁兼容性设计

4.11 调试过程和测试结果

4.12 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录