适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器及匹配滤方法与流程

本发明涉及电子技术应用领域，具体地，涉及一种适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器及匹配滤方法。

背景技术：

传统的功放有a类、b类、ab类和c类。这几类放大器都属于线性放大器，对输入的模拟信号直接进行线性放大，因此非线性失真较小。但是这几类放大器工作在线性放大区中，使得内部晶体管在工作时要消耗相当一部分功率，即使在静态工作模式下，晶体管也要消耗一定的功率，这使得功放的效率受到很大的限制。d类放大器的概念在1959年由baxandall提出，与a、b、ab和c类等功率放大器相比，d类功放的特点是：输出级mos管工作于开关状态，效率较高，将能量利用率从传统的50％提高到了90％以上；其次d类功放能大大减小发射机的体积，节约成本。近几年来，电子技术的发展使mos管开关频率大大提高，导通损耗也减小了许多，使得d类功放能够在保证高效率的前提下达到模拟功放的性能，已经广泛应用于消费电子和专业的音频产品中。在拖曳发射线列阵的应用中，由于系统庞大、结构复杂、负载特殊等情况，一般d类功放无法满足其使用要求。首先，传统的d类功放只适用于驱动扬声器等纯阻性负载，而拖曳发射线列阵中负载为发射换能器，发射换能器是容性负载，其阻抗随频率变化而变化，容易导致功放输出端产生尖峰，从而损坏功率管；其次，传统的d类功放无负反馈，容易造成信号失真率大，同时引起电磁辐射问题。再者，传统d类功放功能比较单一，不具备与外部设备的交互能力，鉴于拖曳发射线列阵工作时处于拖曳状态，功放必须具有自检功能，能实时监控功放的工作状态。

专利文献cn110463034a公开了一种数字功率放大器，属于功率放大器领域，所述数字功率放大器包括：第一dsm、第二dsm、第一pwm、第二pwm、低通滤波器、数字上变频器、梳状滤波器和功率放大器；第一pwm与第一dsm耦合，用于调制第一dsm输入第一dsm信号，并输出第一pwm信号；第二pwm与第二dsm耦合，用于调制第二dsm输入的第二dsm信号，并输出第二pwm信号；低通滤波器分别与第一pwm和第二pwm耦合；数字上变频器与低通滤波器耦合，用于调制低通滤波后的第一pwm信号和低通滤波后的第二pwm信号，并输出预定射频频率的第三pwm信号；梳状滤波器与数字上变频器耦合，用于抑制第三pwm信号的pwm谐波；功率放大器与梳状滤波器耦合，用于对谐波抑制后的第三pwm信号进行功率放大处理。该专利并不能很好地适用于主动拖曳发射线列阵中。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器及匹配滤方法。

根据本发明提供的一种适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器，包括：信号预处理单元、功放单元、控制单元、输入信号单元以及滤波单元；所述信号预处理单元一端与输入信号单元相连；所述信号预处理单元能够对输入信号进行脉冲宽度调制以及死区控制；所述功放单元一端连接信号预处理单元，所述功放单元能够将信号预处理单元输出的pwm信号进行功率放大；所述控制单元连接信号预处理单元和功放单元，所述控制单元能够实现对功放单元的状态检测以及保护控制；所述滤波单元在功放单元与负载之间起桥接作用，能够实现功放单元与负载之间的阻抗匹配，同时滤除功率信号中的高频噪声，还原出有用信号。

优选地，所述信号预处理单元包括：滤波控制电路、增益控制电路、环路滤波器、pwm调制器、时序控制电路和通路控制器；所述滤波控制电路、增益控制电路能够对输入的模拟信号进行噪声滤除和增益控制；所述滤波控制电路、增益控制电路与环路滤波器连接。

优选地，所述环路滤波器能够将功放单元输出级信号反馈到环路滤波器，与环路滤波器的输入信号比较，从而对功放输出信号进行补偿、校正，改善功放线性度，降低电源中纹波。所述环路滤波器包括：环路滤波器输出端；所述环路滤波器输出端与pwm调制器相连。

优选地，所述pwm调制器能够对环路滤波器输出的波形进行调制，产生pwm信号，送入时序控制电路；所述时序控制电路与pwm调制器相连，所述时序控制电路能够在pwm调制器输出的pwm信号中引入死区时间，避免功放单元上下桥臂同时导通而损坏；所述通路控制器能够控制时序控制器与功放单元的通断；当通路控制器接通时，功放单元有输入信号，当通路控制器断开时，功放单元无输入信号。

优选地，所述功放单元包括：门极驱动电路、h桥电路以及信息采样电路；所述门极驱动电路与所述时序控制电路相连，用于提高时序控制电路输出信号的驱动能力，保证h桥正常工作；所述h桥电路包括：4个大功率mosfet；所述h桥电路能够对门极驱动电路的输出信号进行放大，产生高压、大电流的功率信号，h桥输出与匹配滤波器相连。

优选地，所述信息采集电路能够分别取样h桥电路供电端的电流信息、h桥输出端的电压信息以及h桥的工作温度；所述信息采集电路能够将电流信息和温度信息送入控制单元；所述信息采集电路能够将电压信息送入所述环路滤波器。

优选地，所述控制单元包括：主控电路、485通信电路；所述主控电路与所述信息采集电路连接，用于采集电流和温度信息；所述主控电路与485通信电路连接，用于实现与上位机的通信；所述主控电路与信号预处理单元连接，用于控制所述信号预处理单元中的通路控制器是否工作，从而实现对功放单元的保护控制；所述485通信电路能够用于接收上位机的访问命令，然后将功放单元的工作状态信息打包上传给上位机，实现对功放单元的实时监控。

根据本发明提供的一种匹配滤方法，采用适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器，包括：

步骤一：根据设计指标要求的工作频带，结合换能器实测阻抗值(电导b和电纳g)和发射响应svl，由式m1确定gx的值；

其中，svlmax为频带内的最大发射电压响应，g为换能器等效电纳，gx为匹配滤波单元等效电纳；

步骤二：指定值，按式m2计算值；

其中，为匹配滤波单元相角；

步骤三：由式m3计算bl2值，由公式m4和式m5求得r、zx；

其中，bl2为电感l2的电导值，zx为l2、c2和换能器组成网络等效复阻抗；

步骤四：由式m6确定zlc值；

其中zlc为l1、c1等效串联阻抗；

步骤五：由式m7确定l1、c1值；

阵元固有谐振点功率不能有明显提升，即l1、c1值的谐振点应在由bl2和b回路谐振点附近；

一般来讲，l1、c1的值需要在各频率点进行反复计算和修正，直到各点的均满足要求，并且也满足式m1所示的带宽要求为止。

优选地，所述

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明所提供的适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器具有小体积、大功率的特点；通过集成化、模块化的设计，使得该数字功放能够安装在拖线阵用小型圆柱形铝筒内，实现最大输出功率400w。

2、本发明所提供的适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器具有高可靠性的特点；除了在集成化和模块化方面采取了一定措施，保证了元件较低的失效率，该数字功放还采取有高温保护、过流保护以及过压保护等保护措施，能够对功放的工作状态进行实时监控，一旦出现异常情况可及时采取自动保护措施，待问题排除后重启恢复工作。

3、本发明所提供的适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器具有模块化的特点；将数字功放划分为几个功能模块，对每个功能模块进行精细设计，集成化程度大幅提高，也增加了数字功放的可靠性。

4、本发明所提供的适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器具有智能化的特点；通过增加控制单元使得该数字功放具有rs485通信功能，能与外部设备进行数据交互，实现了数字功放的智能化。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的组成框示意图。

图2是本发明实施例中功率放大器中功率放大单元内部组成框示意图。

图3是本发明实施例中功率放大器中匹配滤波单元内部组成框示意图。

图4是本发明实施例中功率放大器工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-4所示，根据本发明提供的一种适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器，包括：信号预处理单元、功放单元、控制单元、输入信号单元以及滤波单元；所述信号预处理单元一端与输入信号单元相连；所述信号预处理单元能够对输入信号进行脉冲宽度调制以及死区控制；所述功放单元一端连接信号预处理单元，所述功放单元能够将信号预处理单元输出的pwm信号进行功率放大；所述控制单元连接信号预处理单元和功放单元，所述控制单元能够实现对功放单元的状态检测以及保护控制；所述滤波单元在功放单元与负载之间起桥接作用，能够实现功放单元与负载之间的阻抗匹配，同时滤除功率信号中的高频噪声，还原出有用信号。

优选地，所述信号预处理单元包括：滤波控制电路、增益控制电路、环路滤波器、pwm调制器、时序控制电路和通路控制器；所述滤波控制电路、增益控制电路能够对输入的模拟信号进行噪声滤除和增益控制；所述滤波控制电路、增益控制电路与环路滤波器连接。

优选地，所述环路滤波器能够将功放单元输出级信号反馈到环路滤波器，与环路滤波器的输入信号比较，从而对功放输出信号进行补偿、校正，改善功放线性度，降低电源中纹波。所述环路滤波器包括：环路滤波器输出端；所述环路滤波器输出端与pwm调制器相连。

优选地，所述pwm调制器能够对环路滤波器输出的波形进行调制，产生pwm信号，送入时序控制电路；所述时序控制电路与pwm调制器相连，所述时序控制电路能够在pwm调制器输出的pwm信号中引入死区时间，避免功放单元上下桥臂同时导通而损坏；所述通路控制器能够控制时序控制器与功放单元的通断；当通路控制器接通时，功放单元有输入信号，当通路控制器断开时，功放单元无输入信号。

优选地，所述功放单元包括：门极驱动电路、h桥电路以及信息采样电路；所述门极驱动电路与所述时序控制电路相连，用于提高时序控制电路输出信号的驱动能力，保证h桥正常工作；所述h桥电路包括：4个大功率mosfet；所述h桥电路能够对门极驱动电路的输出信号进行放大，产生高压、大电流的功率信号，h桥输出与匹配滤波器相连。

优选地，所述信息采集电路能够分别取样h桥电路供电端的电流信息、h桥输出端的电压信息以及h桥的工作温度；所述信息采集电路能够将电流信息和温度信息送入控制单元；所述信息采集电路能够将电压信息送入所述环路滤波器。

优选地，所述控制单元包括：主控电路、485通信电路；所述主控电路与所述信息采集电路连接，用于采集电流和温度信息；所述主控电路与485通信电路连接，用于实现与上位机的通信；所述主控电路与信号预处理单元连接，用于控制所述信号预处理单元中的通路控制器是否工作，从而实现对功放单元的保护控制；所述485通信电路能够用于接收上位机的访问命令，然后将功放单元的工作状态信息打包上传给上位机，实现对功放单元的实时监控。

具体地，在一个实施例中，一种数字功率放大器，由信号预处理单元、功放单元、控制单元和匹配滤波单元四个部分组成。

所述的信号预处理单元起带通滤波的作用。其接收外部输入的模拟小信号，通过低噪声运算放大器构成的带通滤波器滤除输入信号中夹杂的噪声，从而输出高信噪比的模拟信号。

所述的功率放大单元起功率放大的作用，其内部组成如图2所示，包含有驱动器、自动增益控制器、环路滤波器、pwm调制器、通路控制器、时序控制器、门极驱动器、功率开关、保护控制器、温度传感器、电流传感器以及开机短路检测电路。功率放大单元首先接收信号预处理单元输出的模拟信号，经驱动器和自动增益控制器后送入环路滤波器。同时将功放输出级信号反馈到环路滤波器，与环路滤波器的输入信号比较，从而对功放输出信号进行补偿、校正、噪声整形，从而改善功放线性度，降低电源中纹波(即提高电源抑制比)。环路滤波器的输出作为pwm调制器的输入信号，pwm调制器将输入信号编码成二进制脉冲序列。通路控制器的作用是控制通路的通断，当功率放大器出现故障时，通过通路控制器断开pwm调制器与时序控制器之间的连接，从而使功率放大器处于静默状态，当功率放大器正常时，通路控制器导通pwm调制器与时序控制器间的连接，使pwm信号顺利进入后级电路进行放大。为了防止功率开关的导通时间和截止时间同时存在而引起功率开关上出现瞬时的大电流穿通的现象，在功率开关的驱动信号中引入死区时间，这一功能由时序控制器实现，其作用是在功率管的一支未完全关断之前，保持另一支功率管的关断，即在整个功率管的工作时序中，有一个时间段两个功率管存在短暂的同时关断。死区时间的引入提高了效率并避免器件被烧坏。一般情况下，时序控制器的输出信号无法直接驱动功率开关，为此在时序控制器后端增加了门极驱动器来增强信号的驱动能力。门极驱动器的输出信号用来驱动功率开关工作，从而实现信号的功率放大。功率开关采用了全桥结构，全桥拓扑具有如下优点：适应的功率范围较大，从几十瓦到上千瓦；能有效抑制电源波动。此外，该功率放大单元还增加有温度传感器、电流传感器和开机短路检测电路，通过保护控制器将这些信息上传给控制单元，控制单元根据功率放大单元的工作状态控制其工作与否。由此设计的功率放大单元在单电源50v供电情况下，输出功率高达400w。

所述匹配滤波单元的作用是：一、实现功率放大单元和发射换能器之间的阻抗匹配，从而提高功放的输出效率，减小无功功率；二、滤除功率信号中的高频成分，还原出基频信号。该匹配滤波单元采用了三阶巴特沃思滤波器结构，其内部结构如图3所示。该匹配滤波单元使得整个匹配滤波网络的阻抗相角差控制在±10°以内，有功功率所占比例增加，有效降低了对功放功率容量的要求，同时减小了的体积。

控制单元采集功率放大单元输出的过温指示信息、过流指示信息和工作正常指示信息，经数据处理后对功率放大单元的工作状态进行判断，一旦工作状态异常，输出复位信息给功率放大单元，当功率放大单元接收到复位命令后，其内部保护控制器控制通路控制器断开，从而断开信号通路，使功率放大单元处于静默状态，待功率放大单元工作状态正常后再重新接通通路控制器，使功率放大单元再次进入工作模式。此外控制单元还扩展了rs485通信功能，外部设备可以通过rs485总线对其进行访问，从而获取功率放大单元的工作状态信息，实现对功放工作状态的实时监控。

具体地，在一个实施例中，如图4所示，一种数字功率放大器，包含有信号预处理单元、功放单元、匹配滤波单元、控制单元、信号源、功率电源、发射换能器和主机。其中信号源作为信号产生器，输出模拟正弦信号。信号源的输出作为信号预处理单元的输入，信号预处理单元对输入信号进行滤波后送入功率放大单元。

该数字功率放大器首先接收信号预处理单元输出的模拟信号，经驱动器和自动增益控制器后送入环路滤波器。同时将功放输出级信号反馈到环路滤波器，与环路滤波器的输入信号比较，从而对功放输出信号进行补偿、校正、噪声整形，从而改善功放线性度，降低电源中纹波(即提高电源抑制比)。环路滤波器的输出作为pwm调制器的输入信号，pwm调制器将输入信号编码成二进制脉冲序列。通路控制器的作用是控制通路的通断，当功率放大器出现故障时，通过通路控制器断开pwm调制器与时序控制器之间的连接，从而使功率放大器处于静默状态，当功率放大器正常时，通路控制器导通pwm调制器与时序控制器间的连接，使pwm信号顺利进入后级电路进行放大。为了防止功率开关的导通时间和截止时间同时存在而引起功率开关上出现瞬时的大电流穿通的现象，在功率开关的驱动信号中引入死区时间，这一功能由时序控制器实现，其作用是在功率管的一支未完全关断之前，保持另一支功率管的关断，即在整个功率管的工作时序中，有一个时间段两个功率管存在短暂的同时关断。死区时间的引入提高了效率并避免器件被烧坏。时序控制器的输出信号无法直接驱动功率开关，为此在时序控制器后端增加了门极驱动器来增强信号的驱动能力。门极驱动器的输出信号用来驱动功率开关工作，从而实现信号的功率放大。除此以外，该功率放大单元还增加有温度传感器、电流传感器和开机短路检测电路，通过保护控制器将这些信息上传给控制单元。

功率放大单元所需的电源由功率电源提供，功率电源输出50v直流电，功率大于500w。功率放大单元输出的功率信号输出给匹配滤波单元，匹配滤波单元对该输入信号进行滤波，还原出有用信号，同时实现功率放大单元与发射换能器的阻抗匹配。匹配滤波单元输出功率正弦信号，用来驱动发射换能器工作。

控制单元接收功率放大单元输入的过温指示信息、过流指示信息和工作正常指示信息，从而判断功率放大单元是否正常工作。当判断功率放大单元出现故障时，控制单元输出复位信息，控制功率放大单元停止工作；当判断功率放大单元正常时，控制单元取消复位指令，从而功率放大单元重启工作。控制单元含有rs485外部接口，通过该接口与主机保持通信。主机通过相应指令对控制单元进行访问，接收功率放大单元工作状态下的电流电压信息，从而直观的了解功率放大单元的工作状态。

具体地，在另一个实施例中，在拖曳发射线列阵中采用了本发明功率放大器。将该功率放大器装入φ50×120mm的圆柱铝筒中，并且浸泡于轻萘油中。功率电源采用开关电源模块，输出电压50v，功率500kw，为该功率放大器提供大功率直流电。发射换能器采用镶拼式切向极化压电陶瓷环，具有功率容量大、结构强度高、性能稳定可靠等优点。测试过程中将发射换能器放入水中，入水深度为6米。主机由一台带rs485端口的电脑组成，通过主机对控制单元下发访问信息，从而获取功放的工作状态信息，并在主机界面上显示，实现对功放的实时监控。

实测得知该功率放大器在工作频带内的的输出功率大于400w以上。功率放大器工作温度情况如下表所示：

功率放大器在经过长时间工作以后，筒壁温度趋向于稳定，在45℃左右浮动。在整个工作过程中，功率放大器一直稳定可靠的运行，验证了功率放大器的可靠性。

综上所述，本发明提供的一种适用于拖曳发射线列阵的高性能数字功率放大器：对传统d类功放进行了改进，增加了负反馈电路，降低了信号的失真率和电磁干扰；通过匹配滤波单元实现功率放大单元与发射换能器间的阻抗匹配以及信号的还原滤波，使得d类功放适用于发射换能器此类容性负载；通过增加控制实现d类功放的状态自检以及数据交互，达到d类功放的智能化。通过以上设计，使得该数字功率放大器满足拖曳发射线列阵的需求，已成功应用于大功率拖曳发射线列阵中。

根据本发明提供的一种匹配滤方法，采用适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器，包括：

步骤一：根据设计指标要求的工作频带，结合换能器实测阻抗值(电导b和电纳g)和发射响应svl，由式m1确定gx的值；

其中，svlmax为频带内的最大发射电压响应，g为换能器等效电纳，gx为匹配滤波单元等效电纳；

步骤二：指定值，按式m2计算值；

其中，为匹配滤波单元相角；

步骤三：由式m3计算bl2值，由公式m4和式m5求得r、zx；

其中，bl2为电感l2的电导值，zx为l2、c2和换能器组成网络等效复阻抗；

步骤四：由式m6确定zlc值；

其中zlc为l1、c1等效串联阻抗；

步骤五：由式m7确定l1、c1值；

阵元固有谐振点功率不能有明显提升，即l1、c1值的谐振点应在由bl2和b回路谐振点附近；

一般来讲，l1、c1的值需要在各频率点进行反复计算和修正，直到各点的均满足要求，并且也满足式m1所示的带宽要求为止。

优选地，所述

本发明所提供的适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器具有小体积、大功率的特点；通过集成化、模块化的设计，使得该数字功放能够安装在拖线阵用小型圆柱形铝筒内，实现最大输出功率400w。本发明所提供的适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器具有高可靠性的特点；除了在集成化和模块化方面采取了一定措施，保证了元件较低的失效率，该数字功放还采取有高温保护、过流保护以及过压保护等保护措施，能够对功放的工作状态进行实时监控，一旦出现异常情况可及时采取自动保护措施，待问题排除后重启恢复工作。本发明所提供的适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器具有模块化的特点；将数字功放划分为几个功能模块，对每个功能模块进行精细设计，集成化程度大幅提高，也增加了数字功放的可靠性。本发明所提供的适用于主动拖曳发射线列阵的数字功率放大器具有智能化的特点；通过增加控制单元使得该数字功放具有rs485通信功能，能与外部设备进行数据交互，实现了数字功放的智能化。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、单元、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、单元、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、单元、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、单元、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、单元、单元视为既可以是实现方法的软件单元又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。