Гидроакустический передающий тракт
HYDROACOUSTIC TRANSMISSION PATH POWER SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к области спецтехники и предназначено для использования в гидроакустике, локации, навигации, миноискания и т.п. подводных и надводных объектов.
Известен гидроакустический передающий тракт, содержащий генератор, выход которого подключен ко входу интегратора, выход которого соединен с первым входом двухканального блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока управления, а выходы двухканального блока сравнения соединены со входами двухтактного суммирующего усилителя мощности, выход которого через согласующее устройство соединен с гидроакустическим преобразователем (пьезокерамическим, магнитострикционным или электродинамическим). На выходах двухканального блока сравнения формируются сигналы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), которые усиливаются по мощности двухтактным суммирующим усилителем мощности, работающим в ключевом режиме, суммирование сигналов обоих каналов в двухтактном усилителе мощности осуществляется посредством их соединения с выходом через фильтры нижних частот (ФНЧ), входящих в состав этих усилителей.
Такое устройство имеет достаточно высокий КПД (до 80…90%) вследствие работы его усилителя мощности в ключевом режиме.
Однако для неискаженного усиления низкочастотных сигналов, вырабатываемых блоком управления, необходимо, чтобы частота опорного пилообразного напряжения, формируемого интегратором, была в 8…10 раз выше частоты низкочастотного сигнала блока управления. В результате этого при передаче сигналов с частотами от сотен Гц до 10…20 кГц требуется формирование опорного пилообразного напряжения с частотой 100…200 кГц, т.е. переключения силовых элементов (транзисторов и диодов) в двухтактном суммирующем усилителе мощности осуществляется также с частотой 100…200 кГц, что приводит к существенному росту потерь на переключения и, следовательно, снижение КЦЦ (до 70…75%) и надежности устройства.
Для снижения потерь на переключения в усилителе мощности гидроакустического передающего тракта, работающего в широком частотном диапазоне, используют многоканальный принцип усиления.
Наиболее близким к предлагаемому гидроакустическому тракту является устройство, описанное в авт. свид. СССР №1226640, МКИ H03K 7/08.
Известное устройство (фиг. 1) содержит последовательно соединенные генератор 2 и фазовращатель 10, каждый из N выходов которого соединен со входом соответствующего интегратора 11-1…11-N, причем выход каждого интегратора 11 соединен с первым входом соответствующего двухканального блока 6-1…6-N сравнения, вторые входы которых соединены с выходом блока 1 управления, а выходы всех N двухканальных блоков 6 сравнения соединены со входами суммирующего усилителя 7 мощности, выход которого через согласующее устройство 8 соединен со входом гидроакустического преобразователя 9.
т
т
т
т
т
т
т
т
т
Работает известное устройство следующим образом. Генератор генерирует импульсный сигнал, синхронизирующий фазовращатель 10 который формирует на своих выходах N сигналов типа меандр, причем фаза сигнала на каждом выходе n равна 180°/N×(n-1),  т.е. они равномерно сдвинуты по фазе в пределах полупериода тактовой частоты ƒ. На выходах интеграторов 11 формируются пи-образные напряжения частоты ƒ, также равномерно сдвинутые по фазе. Эти пилообразные сигналы в двухтактных блоках 6 сравнения сравниваются с низкочастотным сигналом блока 1 управления, в результате чего на их первых выходах формируются сигналы с ШИМ (частота следования импульсов с ШИМ - ƒ), синфазные по низкочастотным составляющим и сдвинутые по фазе на 180°/N×(n-1) по частоте ƒ. На их вторых выходах формируются сигналы, синфазные по низкой частоте сигналам на первых выходах, но противофазные по частоте ƒ. В результате этого на всех 2N выходах блоков 6 формируются 2N сигналов с ШИМ, синфазных по низкой частоте (частоте полезного сигнала) и сдвинутые по 180°/N градусов по тактовой частоте ƒ в пределах 360°. Эти сигналы усиливаются по мощности и складываются в суммирующем усилителе 7 мощности, в результате чего полезные низкочастотные составляющие сигналов складываются, а ряд паразитных высокочастотных (с частотами кƒ, где к=1, 2… и их комбинации с низкочастотными колебаниями) компенсируются. В результате этого на выходе суммирующего усилителя 7 мощности практически отсутствуют паразитные составляющие с частотами до 2Nƒ, что примерно эквивалентно применению в обычном устройстве тактовой частоты 2Nƒ. В результате этого частота переключений в известном устройстве может быть выбрана не в 8…10 раз выше максимальной частоты полезного сигнала, а только в (8…10)/2N, и реально; при N≥4, она может быть только в 2 раза выше максимальной частоты полезного сигнала. Это приводит к повышению КПД устройства при расширении его частотного диапазона, а также возможности применения в усилителе мощности более простых и надежных схемотехнических решений.
Вместе с тем существенное увеличение (более 2…4) числа N каналов в устройствах мощностью до 1…2 кВт (обычно применяемых в системах указанного назначения) является нецелесообразным, т.к. ведет к увеличению общего габарита устройства, снижению его надежности и снижению промышленного КПД устройства. Учитывая, что в гидроакустике используются достаточно узкополосные сигналы в течение одной посылки (с частотным перекрытием до 2…3), тогда как полный частотный диапазон сигналов является достаточно широким (перекрытие более 10…20), то выбор тактовой частоты по максимальной частоте сигнала приводит к неоправданно большим потерям на переключения в усилителе мощности и сравнительно невысокому КПД всего устройства.
Цель изобретения - повышение КПД.
Поставленная цель достигается в устройстве, содержащем генератор, блок управления, выход которого соединен со вторыми входами N двухканальных блоков сравнения, выходы которых соединены со входами суммирующего усилителя мощности, выход которого через согласующее устройство соединен со входом гидроакустического преобразователя, посредством введения в его состав N цифроаналоговых преобразователей, выход каждого из которых соединен с первым входом соответствующего двухканального блока сравнения, N преобразователей кода, выход каждого из которых соединен со входом соответствующего цифроаналогового преобразователя, счетчик, выход которого соединен со входами преобразователей кода, а вход - с выходом генератора, выполненного управляемыми, вход управления которого соединен с дополнительным выходом блока управления.
В таком устройстве частота следования импульсов с ШИМ изменяется в соответствии с частотой низкочастотного полезного сигнала, причем, благодаря постоянству амплитуды опорного пилообразного напряжения, линейных искажений при этом не возникает, в предлагаемом тракте отношение частоты переключений к частоте входного сигнала имеет наименьшую возможную величину, что приводит к снижению потерь на переключения и повышению КПД устройства без ухудшения его характеристик качества.
Таким образом, поскольку предлагаемое устройство имеет отличия от прототипа, оно обладает новизной. При этом, заявителю и авторам неизвестны решения, в которых бы повышение КПД достигалось подобным образом, следовательно, данные отличия следует считать существенными.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства-прототипа.
На фиг. 2 приведена структурная схема предлагаемого устройства.
На фиг. 3 приведены возможные реализации суммирующих усилителей мощности.
Предлагаемое устройство (фиг. 2) содержит блок 1 управления, дополнительный выход которого соединен со входом управления управляемого генератора 2, выход которого соединен со входом счетчика 3, выход которого соединен со входами N преобразователей 4 кода, выход каждого из которых через соответствующий цифроаналоговый преобразователь 5 соединен с первым входом соответствующего двухканального блока 6 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 1 управления, а выходы каждого из N двухканальных блоков 6 сравнения соединены со входами суммирующего усилителя 7 мощности, выход которого через согласующее устройство 8 соединен с гидроакустическим преобразователем.
Реализация блока 1 управления определяется функцией, выполняемой всей гидроакустической системой, и, как правило, он содержит программное устройство (управляемое с пульта) и синтезатор низкочастотных сигналов. На его основном выходе формируются низкочастотные сигналы (которые необходимо излучить в среду), а на дополнительном - цифровой сигнал, несущий информацию о величине внешней частоты, содержащейся на его основном выходе. Такая информация имеется в прямом виде на всех современных гидроакустических комплексах.
Управляемый генератор 2 является обычным автогенератором с управляемой частотой выходного сигнала. Он может быть построен на основе кварцевого генератора и управляемых делителях частоты.
Счетчик 3 является стандартным элементом с выходным сигналом в параллельном двоичном коде. При поступлении на него импульсов с выхода генератора 2 на входе счетчика 3 формируется линейно нарастающий код.
т
т
Преобразователи кода 4 могут быть выполнены на основе постоянно-запоминающих устройств (ПЗУ). Они преобразуют выходной сигнал (линейно растущий код с выхода счетчика 3 в симметричный по времени линейно нарастающий и затем линейно спадающий код. В преобразователях кода 4 учтен требуемый фазовый сдвиг их выходных кодов на 180°/N относительно друг друга по частоте ƒ (ƒ частота полного счета счетчика 3).
Цифроаналоговые преобразователи 5 преобразуют входные линейно изменяющиеся двоичные коды в линейно изменяющиеся напряжения, фазы которых отличаются друг от друга на 180°/N (соответственно фазам сигналов на выходах преобразователей кода). Блоки 5 являются стандартными элементами.
т
Двухканальные блоки 6 сравнения (см. фиг. 2) могут содержать по два компаратора 6-1-1 и 6-1-2, на прямые входы которых поступает низкочастотный сигнал, а на инверсные - прямые и инвертированные (инвертором 6-1-3) пилообразные напряжения. На выходах каждого блока 6 формируются сигналы с ШИМ, причем эти сигналы являются синфазными по низкой частоте и противофазными по частоте ƒ следования импульсов.
Суммирующий усилитель 7 мощности строится по известным схемам и содержит 2N (по числу входов) двухтактных ячеек (обычно полумостового типа), выходы которых через дроссели выходных ШЧ соединены вместе (фиг. 3а). Эти ячейки могут быть соединены попарно в мосты и затем просуммированы аналогичным образом (фиг. 3б).
Согласующее устройство 8 обычно содержит согласующий трансформатор, элементы коммутации и компенсации реактивной проводимости гидроакустического преобразователя 9, выравнивающие его частотную характеристику.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
т
т
т
т
т
В предлагаемом устройстве по сигналу на дополнительном выходе блока 1 управления, несущего информацию о максимальной частоте низкочастотного сигнала в данной посылке (в данном режиме работы тракта), устанавливается частота генерирования управляемого генератора 2 таким образом, чтобы частота ƒ опорного напряжения составляла (8…10)/2N максимальной частоты передаваемого низкочастотного сигнала. При снижении максимальной частоты передаваемого сигнала происходит и снижение частоты ƒ следования импульсов с ШИМ, что позволяет повысить КПД тракта, за счет снижения потерь на переключения. Для достижения значительного повышения КПД достаточно обеспечить возможность изменения ƒ дискретно - 3…5 значений (при увеличении уровней дискретизации изменения ƒ КПД будет возрастать), например: 2 кГц, 5 кГц, 10 кГц, и 20 кГц. Учитывая, что в верхней области частот тракт работает малое время, кратковременное повышение ƒ не повлияет существенно на КПД тракта.
т
т
т
Важно отметить, что для реализации возможности изменения частоты опорного сигнала необходимо сохранение неизмененной амплитуды опорного пилообразного напряжения при всех ƒ (и строго равных по всем N каналам). Поэтому применение для формирования опорного пилообразного напряжения интеграторов импульсных сигналов (см. устройство-прототип, фиг. 1) является невозможным, т.к. амплитуда сигнала на выходе интегратора изменяется обратно пропорционально частоте сигнала и зависит от многих дестабилизирующих факторов. Изменение амплитуды опорного пилообразного напряжения приводит к изменению сигнала тракта (при изменении ƒ), т.е. появлению линейных искажений - изменение ƒ в 10 раз приведет к неравномерности АЧХ тракта примерно на 20 дБ, что недопустимо. Кроме того, различие амплитуд опорных напряжений по каналам вызовет различную загрузку по мощности выходных каскадов усилителя 7 и, следовательно, снижению КЦЦ устройства.
т
Данные обстоятельства сделали необходимым формирование пилообразного напряжения по схеме: счетчик 3, преобразователь 4 кода, цифроаналоговый преобразователь. При таком формировании опорного пилообразного напряжения импульсы с выхода генератора 2 поступают на вход счетчика 3, на выходе которого формируется линейно нарастающий код. Этот код преобразуется преобразователем кода 4 в симметричный по времени линейно нарастающий, а затем линейно спадающий код. Причем в преобразователях кодов 4 обеспечивается заданный фазовый сдвиг выходных кодов на 180°/N относительно друг друга по частоте ƒ. Эти линейно изменяющиеся двоичные коды преобразуются цифроаналоговым преобразователем 5 в линейно изменяющиеся напряжения, фазы которых отличаются друг от друга на 180°/N (соответственно фазам сигналов на выходах преобразователей кода). При таком формировании опорного пилообразного напряжения его амплитуда не зависит от частоты этого напряжения и изменение его частоты не приводит к линейным искажениям и различиям в глубине ШИМ по каналам, что исключает появление дополнительных потерь.
т
т
Сформированные таким образом пилообразные напряжения поступают на первые входы двухканальных блоков 6 сравнения, на вторые входы которых поступает низкочастотный сигнал с основного выхода блока 1 управления. На выходах каждого блока 6 сравнения формируются сигналы, синфазные по низкой частоте и попарно-противофазные по частоте ƒ следования импульсов. Эти сигналы усиливаются по мощности и складываются в суммирующем усилителе 7 мощности. В результате полезные низкочастотные составляющие складываются, а комбинационные составляющие, группирующиеся вокруг частот nƒ при n=1…2 (N-1), вычитаются. Это позволяет значительно понизить частоту переключений каналов усиления, а следовательно, повысить КПД передающего тракта, при обеспечении малых искажений выходного сигнала. Далее, сигнал с выхода суммирующего усилителя 7 мощности через согласующее устройство 8 поступает в гидроакустический преобразователь 9.
т
Таким образом, за счет изменения опорной частоты ƒ (частоты коммутации элементов усилителя 7 мощности), потери на переключения в предлагаемом устройстве снижаются в 5…10 раз, а общие потери - в 2…5 раз, что приводит к повышению электронного КПД тракта с 80…85% до 90…95%, что позволяет уменьшить энергопотребление, и улучшить надежность и массогабаритные показатели устройства.
На предприятии изготовлен макет предлагаемого гидроакустического тракта мощностью 2 кВт, испытания которого подтвердили его технические преимущества.