ПЕРЕДАЮЩИЙ ТРАКТ ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ Российский патент 2020 года по МПК H03K3/02 G01S7/52 

чИзобретение относится к области усилительной и генераторной техники и может быть использовано в передающих трактах для возбуждения гидроакустических антенн.

Известны усилители мощности, использующие различные виды широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для формирования мощных выходных сигналов заданной формы с управляемыми параметрами по частоте и амплитуде.

Устройства, реализующие метод ключевого усиления, относятся к усилителям класса D [1,2], характеризуются высокой энергетической эффективностью и могут быть положены в основу построения мощных генераторных, усилительных устройств и передающих трактов (ПТ). Достоинством ПТ, в которых используются ключевые усилители мощности с ШИМ, является равномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) выходного напряжения при изменении нагрузки в широких пределах. Это принципиально важно при возбуждении гидроакустических излучателей, включенных в систему передающего тракта многоканальных гидроакустических систем.

В передающих трактах для возбуждения гидроакустических антенн, использующих ключевые усилители с ШИМ, входной сигнал преобразуется в последовательность импульсов, модулированных по длительности, в результате ключевого усиления которых по мощности формируется модулированное импульсное напряжение, поступающее через дроссель фильтра нижних частот (ФНЧ) на входы акустических излучателей в составе гидроакустических антенн. Величина индуктивности дросселя ФНЧ выбирается из условия фильтрации высокочастотных составляющих (ВЧ) импульсного напряжения на акустических излучателях, собственный импеданс которых имеет, как правило, емкостной характер.

В ряде случаев, особенно для реализации ПТ большой мощности, 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 условия фильтрации ВЧ составляющих при минимизации индуктивности дросселя ФНЧ.

Ключевые усилители с многоканальной ШИМ, входящие в состав ПТ, обладают выходными характеристиками близкими к характеристикам генератора напряжения, что позволяет обеспечить стабильные нагрузочные характеристики передающего тракта. Однако, при резком уменьшении импеданса нагрузки и свойстве ключевого усилителя поддерживать стабильное выходное напряжение, возникает эффект практически неограниченного нарастания выходного тока. Эффект уменьшения импеданса нагрузки имеет место в передающих трактах, содержащих один или ряд гидроакустических излучателей, в основном, в следующих случаях:

- при изменении импеданса гидроакустических излучателей в широкой полосе частот;

- из-за взаимного влияния гидроакустических излучателей при работе в составе антенны, особенно при изменении фаз отдельных каналов, при сканировании диаграммы направленности излучения;

- при излучении в относительно малом внутреннем объеме, заполненном жидкостью, где возможно возникновение отраженных волн достаточной интенсивности;

- в следствии переходных процессов при возбуждении гидроакустических излучателей фазоманипулированными сигналами;

- значительного пик-фактора в сигнале возбуждения;

- любые комбинации перечисленных выше случаев.

Здесь следует отметить, что величина импеданса гидроакустического излучателя в рассмотренных случаях может отклоняться от номинальной величины как в сторону уменьшения, так и увеличения. Однако при увеличении импеданса перегрузки ПТ по току не возникает, поэтому не рассматривается. Уменьшение же импеданса вызывает соответствующие перегрузки ПТ по току, что приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик ПТ и понижению его показателей надежности. Поэтому возникает необходимость отработки защитных механизмов работы ПТ.

Для нейтрализации этого эффекта возможно использование отрицательной обратной связи по выходному току, аналогично известному решению [4], что переводит ключевой усилитель с ШИМ в режим генератора тока, при этом напряжение на нагрузке изменяется пропорционально ее импедансу. В результате теряется важное преимущество стабильности выходного напряжения, что существенно ограничивает область применения ПТ на основе усилительных устройств такого типа.

Чаще используется защита от режима перегрузки путем отключения ПТ при превышении выходного тока любого из каналов КУМ, например, как в [5]. При этом повторное включение возможно только по специальной команде управления, либо при повторном включении ПТ. Соответственно, в условиях даже кратковременного уменьшения импеданса нагрузки происходит срыв функционирования, приводящий к нарушению цикла излучения. Попытка расширить область устойчивой работы при изменении нагрузки в 2-3 раза приводит к необходимости соответствующего увеличения экстремальных выходных токов каналов ПТ, что связано с понижением надежности его работы.

Адаптация к изменяющимся условиям возбуждения акустических излучателей в таких устройствах возможна только при уменьшении номинального уровня выходной мощности для обеспечения кратного диапазона изменения нагрузки, что связно с уменьшением энергетической эффективности применения известных устройств.

Наиболее близким аналогом по совокупности общих признаков с предлагаемым устройством является генераторное устройство для возбуждения ультразвуковых излучателей, описанное в [6]. Генераторное устройство [6] по существу является передающим трактом, поскольку имеет все его характерные признаки, начиная от формирователя сигналов и завершая нагрузкой (акустическим излучателем).

Передающий тракт - прототип (фиг. 1) содержит последовательно соединенные формирователь 1 сигналов, параметрический усилитель 2, вычитающее устройство 3, N-канальный широтно-импульсный преобразователь 4 (ШИП), N-канальный ключевой усилитель 5 мощности, N-канальный пороговый датчик 6 тока, N-канальный трансформаторный сумматор 7, первый и второй выходы которого соединены через фильтр 8 нижних частот и датчик 9 тока с первой и второй шинами возбуждения акустических излучателей, при этом контрольный выход N-канального датчика 6 тока соединен с входом запрета N-канального ШИП, а контрольный выход датчика 9 тока поступает на контрольный вход цифровой схемы 10 управления, входная шина данных которой подключена к выходной шине данных формирователя 1 сигналов, а выходная шина данных соединена с управляющим входом параметрического усилителя 2, в свою очередь с третьего выхода формирователя сигналов 1 на вход N-канального ШИП 4 поступает сигнал РАЗРЕШЕНИЕ излучения.

Стабилизация режима работы прототипа при значительном изменении импеданса нагрузки осуществляется путем контроля выходных токов как отдельных каналов КУМ, так и суммарного тока нагрузки. Контроль выходных токов отдельных каналов КУМ используется для отключения каналов в случае неконтролируемого резкого увеличения тока, с целью предотвращения распространения аварийной ситуации. Контроль суммарного тока нагрузки осуществляется как по мгновенному значению тока, так и по его низкочастотной огибающей. Результаты контроля используются для ограничения тока без искажения формы выходного напряжения. Это позволяет обеспечить работу КУМ при существенно более широком диапазоне изменения импеданса нагрузки.

Контроль выходного тока отдельных каналов ключевого усиления осуществляется N-канальным датчиком тока 6, на основе применения N датчиков тока с гальванической изоляцией, выделения максимального значения тока каналов и его сравнения с пороговым значением. По результату сравнения обеспечивается импульсное формирование команды ЗАПРЕТ, поступающей на схемы запрета соответствующих каналов в составе N-канального ШИП 4.

При этом сигналы ШИМ на выходы N-канального ШИП 4 проходят только при наличии команды РАЗРЕШЕНИЯ в условиях отсутствия команды ЗАПРЕТ.

Датчик 9 тока обеспечивает формирование сигнала, пропорционального току возбуждения акустического излучателя. Выходной ток N-канального трансформаторного сумматора 7 определяется формой и уровнем суммарного напряжения в диапазоне рабочих частот, а также импедансом нагрузки.

Контроль суммарного тока нагрузки по мгновенному значению, и по его низкочастотной огибающей осуществляется в цифровой схеме управления, которая получает сигнал, пропорциональный току нагрузки, поступающий с контрольного выхода датчика 9 тока.

Выходное напряжение устройства прототипа определяется формирователем 1, выходное напряжение которого поступает на вход N-канального ШИП 4 через последовательно соединенные параметрический усилитель 2 и вычитающее устройство 3. Отличительной особенностью формирователя сигнала в отличие от других подобных устройств является дополнительное формирование команды РАЗРЕШЕНИЕ, определяющей цикл излучения, а также наличие шины данных кода амплитуды сигнала.

При этом дополнительно формируются данные цифрового кода амплитуды сигнала S_m, значение которого определяет амплитуду формируемого сигнала. Величина кода S_m соответствует возможности уменьшения амплитуды сигнала от номинального до минимального значения.

Параметрический усилитель 2 обеспечивает масштабирование амплитуды выходного сигнала формирователя 1 пропорционально значению кода S_A, поступающего на его управляющий вход с выхода цифровой схемы 10 управления. Выходной сигнал параметрического усилителя 2 подается на вход вычитающего устройства 3.

Работа устройства-прототипа осуществляется следующим образом.

Сигнал с выхода формирователя 1 поступает на вход параметрического усилителя 2, где усиливается до заданного уровня в соответствии с кодом S_m, который передается от шины данных кода амплитуды формирователя 1 сигнала. Далее сигнал с выхода параметрического усилителя без изменения амплитуды и формы поступает через вычитающее устройство 3 на вход N-канального ШИП 4, где преобразуется в ряд последовательностей импульсов с ШИМ.

Начальное формирование заданной амплитуды соответствует условию, когда величина сигнала на выходе датчика 9 тока ниже установленных порогов по мгновенному значению тока нагрузки и по его низкочастотной огибающей.

При поступлении команды РАЗРЕШЕНИЕ сигналы ШИМ с выхода N-канального ШИП 4 поступают на входы каналов N-канального КУМ 5, на выходах которых формируются модулированные импульсные напряжения, которые через N-канальный пороговый датчик 6 тока передаются на выходы N-канального трансформаторного сумматора 7.

В результате на его выходах формируется суммарное импульсное напряжение, низкочастотная составляющая которого по форме соответствует исходному сигналу формирователя 1 и пропорциональна его амплитуде.

Такой режим сохраняется для всех значений выходного тока, не превышающих установленных пороговых значений.

При медленном изменении параметров сигнала в условиях плавного уменьшения нагрузки амплитуда выходного тока и, соответственно, сигнал на выходе датчика 9 тока плавно возрастает и при превышении установленного порогового значения на выходной шине данных цифровой схемы 10 управления формируется код S_A, поступающий на управляющий вход параметрического усилителя 2, который используется для снижения коэффициента передачи параметрического усилителя 2.

Глубина обратной связи по огибающей амплитуды выходного тока может быть обеспечена не менее 20 дБ, что позволяет сохранить номинальную амплитуду тока возбуждения акустического излучателя с превышением не более чем на 10% в условиях десятикратного изменения импеданса нагрузки. Достоинством такой обратной связи является обеспечение работоспособности ГУ при сохранении заданной формы сигнала возбуждения акустического излучателя.

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 допустимое значение. В этом случае при динамическом увеличении выходного сигнала датчика 9 тока более порогового значения, включается обратная связь по мгновенным значениям выходного тока и на сигнальном выходе цифровой схемы управления формируется сигнал пропорциональный превышению порогового значения, который поступает на управляющий вход вычитающего устройства 3, где этот сигнал вычитается из выходного сигнала параметрического усилителя 2, уменьшая амплитуду модулирующего сигнала N-канального ШИП 4, чем достигается режим динамического ограничения тока.

ПТ прототип, при указанных преимуществах относительно устройств аналогов, имеет два существенных недостатка. Первый обусловлен использованием компенсационного метода ограничения тока, когда это ограничение осуществляется за счет отрицательной обратной связи по току. Эффективность воздействия отрицательной обратной связи на выходные параметры определяется ее глубиной. В ключевых устройствах с ШИМ допустимая глубина отрицательной обратной связи, как правило, не превышает 25-30 дБ. Дальнейшее ее увеличение, в соответствии с критериями Найквиста, переводит режим работы ключевого устройства в зону риска потери устойчивости. Поэтому в режиме динамического ограничения выходного тока устройства, максимальное его значение при резком изменении импеданса нагрузки, превышает установленное граничное значение на 20%. Поэтому при проектировании технологический запас на соответствующие параметры силовой элементной базы должен быть увеличен на 30-40%, в противном случае не может быть обеспечена требуемая надежность ПТ.

Второй недостаток связан с ограничением ширины полосы спектра частот входного сигнала. Устройство прототип, имеет в своем составе формирователь сигналов, в котором, судя по описанию, синтезируются либо тональные, либо частотно-модулированные сигналы с небольшим индексом модуляции. При относительно узкой полосе частот, соответственно, импедансные характеристики излучателя имеют ограниченные изменения. Однако, в настоящее время военная и гражданская гидроакустика используют при излучении сложные широкополосные сигналы, в том числе полигармонические. Из практики построения современных акустических излучателей на основе пъезокерамики известно, что их импедансные характеристики имеют существенную зависимость от частоты, и при широкой полосе рабочих частот они могут изменяться в разы, а на крайних частотах диапазона на порядок.

Задачей настоящего изобретения является повышение энергетической эффективности и надежности работы ПТ в экстремальных режимах при значительном изменении импеданса нагрузки.

Для решения этой задачи в известный передающий тракт, содержащий цифровую схему управления, формирователь сигналов, параметрический усилитель, сигнальный вход которого соединен с выходом формирователя сигналов, поканально последовательно соединенные N-канальный широтно-импульсный преобразователь, N-канальный ключевой усилитель мощности, N-канальный пороговый датчик тока, N-канальный трансформаторный сумматор, выход которого через фильтр нижних частот соединен с шинами возбуждения излучающей гидроакустической антенны, а также шину силового электропитания, подключенную к входу электропитания N-канального ключевого усилителя мощности, а первая шина передачи данных цифровой схемы управления соединена с входом управления параметрического усилителя, причем N-канальный широтно-импульсный преобразователь снабжен входом разрешения излучения, введена новая совокупность блоков и связей.

В ПТ дополнительно введены N-канальное пороговое вычитающее устройство, а цифровая схема управления и параметрический усилитель выполнены N-канальными, при этом N-1 шин передачи данных N-канальной цифровой схемы управления соединены с N-1 входами N-канального параметрического усилителя, а его сигнальные выходы подключены к сигнальным входам N-канального порогового вычитающего устройства, контрольные входы которого подключены к контрольным выходам N-канального порогового датчика тока, а контрольные выходы подключены к контрольным входам N-канальной цифровой схемы управления, первый управляющий вход которой соединен с шиной сигнала разрешения излучения, а второй управляющий вход соединен с источником электропитания N-канального ключевого усилителя мощности, а с выхода сигнал разрешения излучения поступает на управляющий вход N-канального широтно-импульсного преобразователя.

Наилучший технический результат может быть получен, если N-канальная цифровая схема управления содержит поканально последовательно соединенные N-канальный аналого-цифровой преобразователь, N-канальный цифровой компаратор, N-канальный кольцевой счетчик, N-канальный мультиплексор, а также аналого-цифровой преобразователь источника Е электропитания КУМ, счетчик временной авторегулировки уровня (ВАРУ) и счетчик задержки т, при этом контрольные входы N-канального аналого-цифрового преобразователя подключены к контрольным выходам N-канального порогового вычитающего устройства, выходные шины передачи данных N-канального мультиплексора соединены с входами управления N-канального параметрического усилителя, в свою очередь шина разрешения излучения соединена с входом счетчика ВАРУ, выходная шина данных которого соединена с первым управляющим входом N-канального мультиплексора и входом счетчика задержки т, выходная шина которого поступает на управляющий вход N-канального широтно-импульсного преобразователя, а шина источника электропитания КУМ подключена к входу аналого-цифрового преобразователя источника электропитания КУМ, выходная шина данных которого соединена с вторым управляющим входом N-канального мультиплексора.

Техническим результатом от использования изобретения является обеспечение энергетической эффективности, надежности и безопасной работы в условиях практически неограниченного изменения импеданса нагрузки, что дает возможность бесперебойного функционирования ПТ в экстремальных режимах работы.

Обеспечение технического результата достигается отказом от компенсационного метода стабилизации режима и реализацией метода автоматического регулирования параметрами выходных сигналов без отключения ключевых усилителей мощности передающего тракта при уменьшении импеданса нагрузки. При этом срабатывание механизмов защиты в предлагаемом устройстве предусмотрено только в аварийных ситуациях неисправности отдельных каналов ПТ.

Переход к методу автоматического регулирования позволяет удерживать превышение установленного граничного значения тока каждого канала в пределах 1-2%. Реализация предлагаемого метода обеспечивает устойчивость и безаварийность функционирования ПТ при возбуждении гидроакустических излучателей с изменяющимся импедансом в условиях допустимого тока возбуждения. Незначительное превышение (1-2%) установленного граничного значения тока, относительно устройства прототипа (до 20%), обеспечивает более высокую эффективность и надежность работы предлагаемого устройства, в том числе и при усилении широкополосных сигналов, когда импеданс гидроакустического излучателя может меняться в значительно более широких пределах.

Совокупность вновь введенных блоков и связей в известных устройствах ранее не использовалась и их внедрение в передающем тракте для возбуждения гидроакустических излучателей позволяет обеспечить устойчивую работу в условиях резких изменений импеданса нагрузки путем автоматического регулирования величины превышения установленного граничного значения тока. Положительный эффект в предлагаемом техническом решении достигается за счет ограничения входного (и соответственно выходного) напряжения при превышении выходного тока выше порогового значения, причем ограничение осуществляется на временном отрезке менее четверти периода выходного напряжения.

Сущность изобретения поясняются на фиг. 1 - фиг. 4. Структурные схемы устройства-прототипа и заявляемого устройства показаны на фиг. 1 и фиг. 2, соответственно. Функциональная схема цифровой схемы управления заявляемого устройства представлена на фиг. 3. На фиг. 4 приведены временные диаграммы сигналов, поясняющие принцип действия предлагаемого технического решения, в том числе на фиг. 4а) - в режимах ограничения выходного тока и плавного изменения выходного напряжения, а на фиг. 4б) - в режиме стабилизации выходного напряжения при превышении напряжения электропитания установленного номинального значения.

Предлагаемый передающий тракт для возбуждения гидроакустических преобразователей (фиг. 2) содержит формирователь 1 сигналов, N-канальный параметрический усилитель 12, N-канальное пороговое вычитающее устройство 11, N-канальный ШИП 4, N-канальный КУМ 5, N-канальный датчик 6 тока, N-канальный трансформаторный сумматор 7, ФНЧ 8 и N-канальную цифровую схему 13 управления.

Все составляющие передающий тракт функциональные блоки (фиг. 2), кроме N-канальной цифровой схемы 13 управления, соединены последовательно. Последовательно соединенные блоки представляют собой классическую структуру построения передающего тракта, построенного на базе ключевых усилителей мощности с ШИМ. N-канальная цифровая схема 13 управления включена в петлю автоматического регулирования выходными параметрами. Характерной особенностью идеологии построения тракта является тот факт, что N-канальная цифровая схема управления «не вмешивается» в процесс формирования сигналов возбуждения акустических излучателей, до тех пор, пока параметры нагрузки и, соответствующие им токи не превышают допустимых значений. Т.е. петля автоматического регулирования функционально разомкнута и замыкается только на время превышения амплитуды тока установленных допустимых значений, причем фиксация превышений и регулирование производится по мгновенным значениям тока, что определяет исключительно малую инерционность процесса регулирования.

N-канальная цифровая схема управления (фиг. 3) содержит последовательно соединенные N-канальное АЦП 14, N-канальный цифровой компаратор 15, N-канальный кольцевой счетчик 16, выходы которого через N-канальный мультиплексор 17 поступают на выходные шины данных и далее на управляющие входы N-канального параметрического усилителя 12 на фиг.2. Кроме того, схема содержит счетчик 18 ВАРУ, счетчик 19 τ задержки и АЦП 20 источника Е электропитания N-канального КУМ 5 на фиг.2. Входы счетчика 18 и счетчика 6 подключены к шине РАЗРЕШЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ, выход счетчика 18 соединен с первым управляющим входом мультиплексора 17, а выходная шина счетчика 19 поступает на управляющий вход N-канального ШИП 4 на фиг. 2. Входная шина АЦП 7 подключена к источнику Е электропитания N-канального КУМ 5 на фиг. 2, а выходная шина соединена с вторым управляющим входом мультиплексора 17.

Реализация формирователя 1 сигналов, N-канального ШИП 4, N-канального КУМ 5 и N-канального трансформаторного сумматора 7 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).

Контроль выходного тока отдельных каналов ключевого усилителя мощности осуществляется N-канальным датчиком 6 тока, реализация которого производится по известным правилам [5], на основе применения N отдельных датчиков тока с гальванической изоляцией, выполненных, например, на трансформаторах тока. Сигналы пропорциональные максимальным значениям токов каналов Iмк поступают на N-канальное пороговое вычитающее устройство 11, где происходит их сравнение с пороговым значением Iпк. Результаты сравнения поступают в цифровую схему 13 управления для преобразования в цифровой код и формирования массива данных управления коэффициентами передачи N-канального параметрического усилителя 12.

N-канальный ШИП 4 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.

Техническая реализация N-канального модуля КУМ 5 основана на известных правилах построения оконечных каскадов ключевых усилителей, 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.

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 датчиком 6 тока, сигналы с контрольных выходов которого через N-канальное пороговое вычитающее устройство 11 поступают на контрольные входы N-канальной цифровой схемы 13 управления, где вырабатывается сигнал снятия команды РАЗРЕШЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ соответствующего канала.

N-канальный трансформаторный сумматор 7, выполнен по известным правилам на ряде трансформаторов, вторичные обмотки которых включены последовательно, а первичные обмотки подключены через каналы порогового датчика 6 тока к выходам каналов КУМ 5. В результате на выходных шинах трансформаторного сумматора формируется суммарное импульсное напряжение, соответствующее сигналу с многоканальной ШИМ.

Параметрический усилитель 12 предлагаемого ПТ, в отличие от прототипа, является N-канальным. Он обеспечивает масштабирование амплитуд входных сигналов пропорционально значениям кодов поступающих с выходов N-канальной цифровой схемы 13. Выходные сигналы N-канального параметрического усилителя 12 поступают на сигнальные входы N-канального порогового вычитающего устройства 11, на контрольные входы которого поступают сигналы с контрольных выходов N-канального датчика 6 тока.

Введенная в заявляемое устройство N-канальная цифровая схема 13 управления реализуется на микроконтроллере с производительностью N * 10 Mips и интегрированным многоканальным АЦП со скоростью выборки в десять или более раз превышающей верхнюю частоту усиливаемых сигналов. Микроконтроллер выполняет функции, которые могут быть реализованы совокупностью узлов и связей, в соответствии с приведенными на фиг. 3.

Приведенный принцип действия и примеры технических решений вновь введенных блоков заявляемого технического решения подтверждают реализуемость изобретения и позволяют наиболее простым образом выполнять задачу повышения энергетической эффективности и надежности работы передающего тракта для возбуждения гидроакустических антенн в условиях значительного изменения импеданса нагрузки.

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом.

В условиях номинального режима работы (при отсутствии каких-либо дестабилизирующих факторов во всех каналах) амплитуды сигналов с контрольных выходов датчика 6 тока не превышают пороговых значений установленных в пороговом вычитающем устройстве 11 и, как следствие, отсутствуют сигналы на его контрольных выходах и отсутствуют кодовые сигналы с выходов цифровой схемы 13 на управляющих входах N-канального параметрического усилителя 12. При этом сигнал с выхода формирователя 1 сигналов поступает на сигнальный вход N-канального параметрического усилителя 12, где размножается до N параллельных идентичных сигналов. При наличии команды РАЗРЕШЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ на управляющем входе N-канального ШИП 4, сигналы номинального уровня, поступающие через пороговое вычитающее устройство 11 на его сигнальные входы, преобразуются в широтно-модулированные последовательности импульсов. Импульсные сигналы с ШИМ передаются на входы N-канального КУМ 5, где усиливаются до необходимого уровня мощности и преобразуются в НЧ выходные напряжения U1…Ui…UN каналов. Далее на нагрузке (гидроакустическом излучателе) выделяется полезный суммарный сигнал требуемого уровня мощности.

Такой режим сохраняется для всех значений токов N каналов КУМ не превышающих выбранной допустимой величины I_ПК. при этом амплитуды сигналов на контрольных выходах датчика 6 тока, пропорциональные максимальным значениям токов каналов, ниже порогового значения |V_N| < V_П и сигналы на контрольных выходах порогового вычитающего устройства 11 отсутствуют.

Временные диаграммы, поясняющие процесс преобразования сигналов в предлагаемом устройстве для одного канала приведены на фиг. 4.

На фиг. 4а) изображены временные диаграммы сигналов с выходов N-канального датчика 6 тока Vi, низкочастотное выходное напряжение Ui канала N-канального ключевого усилителя 5 мощности, сигнал разрешения излучения Р, сигнал Si кода управления коэффициентом усиления канала N-канального параметрического усилителя 2 для нормального режима работы (Z=2*Zh) и для режима перегрузки (Z=0,5*Zh). При превышении выходного тока одного, группы или всех каналов N-канального ключевого усилителя 5 мощности выше допустимой величины I > I_ПК осуществляется уменьшение коэффициентов усиления N-канального параметрического усилителя 2. В этом случае сигналы на соответствующих контрольных входах N-канального порогового вычитающего устройства 11 превышают установленные пороговые значения. В результате сравнения амплитуды сигнала с пороговым значением выделяется разностные сигнал ΔV_N = V_N - V_П, которые с контрольных выходов порогового вычитающего устройства 11 поступают на контрольные входы цифровой схемы 13 управления.

В N-канальной цифровой схеме управления (фиг. 3) формируется массив данных для корректировки коэффициентов передачи параметрического усилителя 12 на фиг. 2. Для этого в АЦП 14 производится преобразование разностных сигналов ΔV_N в цифровые коды. Далее в цифровом компараторе 15 устанавливаются верхний и нижний пределы (пороги) регулирования, а в кольцевом счетчике 16 формируется массив данных, содержащий информацию о коэффициенте масштабирования коэффициента передачи каждого канала N-канального параметрического усилителя. Полученный массив данных, через операцию мультиплексирования, поступает на выходные шины цифровой схемы управления и далее на управляющие входы N-канального параметрического усилителя 12 (фиг. 2).

В N-канальном параметрическом усилителе 12 под управлением массива данных разностных сигналов происходит масштабирование амплитуд входных сигналов пропорционально значениям кодов, поступающих с выходов цифровой схемы управления 13. Таким образом, превышение амплитуды тока в любом из каналов выше порогового значения, например, при уменьшении импеданса нагрузки, приводит к снижению амплитуды входного сигнала этого канала и соответствующего снижения амплитуды тока ниже порогового значения. Особенностью такого процесса регулирования является установка его верхнего и нижнего пределов срабатывания цифрового компаратора 15, что позволяет существенно увеличить точность регулирования.

Кроме того, цифровая схема 13 управления обеспечивает функции ВАРУ по команде РАЗРЕШЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ в начале и конце импульса излучения для сглаживания переходных процессов включения и выключения передающего тракта. Как иллюстрируется на фиг. 4а), в начале цикла излучения исходная величина кода S₁…S_i…S_N на выходах цифровой схемы 17 обеспечивает максимальное подавление коэффициента усиления K каждого канала N-канального параметрического усилителя 12. При поступлении сигнала Р (высокий уровень) счетчик 18 ВАРУ линейно уменьшает значение кода на выходах N-канального мультиплексора 17. За время т величина кода уменьшается до номинального значения, что соответствует установке номинальных значений коэффициентов K₁…K_i…K_N N-канального параметрического усилителя 12 и соответственно нормального уровня выходного сигнала. При завершении цикла излучения (низкий уровень сигнала Р) сигнал с выхода управления цифровой схемы 13 управления задерживается на время т счетчиком 19 задержки за которое счетчик 18 ВАРУ приводит коды управления в исходное состояние до следующего цикла излучения. Таким образом достигается плавное нарастание и спад выходных сигналов U₁…U_i…U_N N-канального КУМ 5 и соответственно суммарного напряжения U возбуждения гидроакустической излучающей антенны без экстремальных режимов, характерных для резкого включения и отключения передающего тракта.

Цифровая схема управления выполняет еще одну важную функцию -регулировку усиления одновременно по всем каналам при возможных изменениях напряжения Е электропитания N-канального КУМ 5.

На фиг. 4б) показаны временные диаграммы стабилизации уровня выходного напряжения U при превышении напряжения электропитания Е N-канального КУМ 5 номинального значения Ен. Для этого напряжение Е в преобразуется АЦП 20 (фиг. 3) в цифровой код, который постоянно сравнивается с кодом опорного напряжения Ен. Код рассогласования поступает одновременно на все управляющие входы N-канального параметрического усилителя 12, корректируя его передаточную функцию. Таким образом производится стабилизация выходной мощности ПТ при отклонениях величины напряжения источника электропитания Е. При напряжении Е менее Ен величина кода S₁…S_i…S_N управления не изменяется и выходное напряжение практически пропорционально зависит от изменения Е. В случае превышения напряжения Е установленного номинального значения Ен величина кода управления S₁…S_i…S_N увеличивается, что приводит к пропорциональному уменьшению коэффициентов усиления K₁…K_i…K_N каналов N-канального параметрического усилителя 12. Тем самым достигается стабилизация уровня выходного напряжения U в широком диапазоне увеличения напряжения Е и, соответственно, исключаются предельные режимы работы ПТ, связанные с нештатным увеличением выходной мощности возбуждения гидроакустической излучающей антенны.

Обеспечить энергетическую эффективность, надежность и безопасную работу силовой аппаратуры передающих трактов в условиях практически неограниченного изменения импеданса нагрузки и широком диапазоне нарастания напряжения питания позволяют следующие преимущества. Прежде всего, высокая точность регулирования тока, например, в экспериментальном образце предлагаемого устройства получена величина удержания тока в пределах 1-2% (в прототипе до 20% от номинального значения тока, что соответствует 44% по мощности). Кроме того, предложенные технические решения позволяют обеспечить высокую скоростью регулирования, так процесс стабилизации тока нагрузки канала происходит на отрезке времени не более четверти периода усиливаемого сигнала. Наконец, стабилизация тока осуществляется по каждому из N каналов индивидуально, в отличие от прототипа, где этот процесс осуществляется по суммарному току нагрузки. Следует также выделить режимы плавного нарастания и спада выходного напряжения при импульсных циклах излучения, а также стабилизацию уровня сигнала возбуждения при превышении напряжения электропитания установленного номинального значения. При этом обеспечивается одновременное управление всех каналов ПТ, что позволяет в целом повысить надежность работы передающей аппаратуры.

Все выше сказанное позволяет утверждать, что технический результат достигнут, поскольку передающий тракт получил практически абсолютную полную защиту от любых изменений со стороны нагрузки и повышения напряжения питания, сохраняя при этом высокую энергетическую эффективность и стабильные АЧХ выходного напряжения.

Источники информации

1. Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.: Связь, 1980. с. 207.

2. Кибакин В.М. Основы ключевых методов усиления. М.: Энергия, 1980, с. 232.

3. Патент РФ №2188498 МКИ H03F 3/217 Двухканальный усилитель класса D. 2002 г.

4. АС 15315186 МКИ H03K 3/02 Ключевой генератор тока преимущественно для геоэлектроразведки. 1989 г.

5. Патент РФ №2195687 МКИ G01S 7/524 Гидроакустический передающий тракт. 2002 г.

6. Патент РФ №2644118 Генераторное устройство для возбуждения ультразвуковых излучателей. Приоритет от 25.12.2015 г. Опубл. 07.02.2018 г.

Изобретение относится к области усилительной и генераторной техники и может быть использовано в передающих трактах (ПТ) для возбуждения гидроакустических антенн. Технический результат - повышение энергетической эффективности, надежности и безопасности работы в условиях практически неограниченного изменения импеданса нагрузки, что дает возможность бесперебойного функционирования ПТ в экстремальных режимах работы с сохранением стабильных характеристик выходного сигнала, в частности АЧХ. Для этого предложен передающий тракт для возбуждения гидроакустической антенны, в котором вместо параметрического метода стабилизации тока, который имеет ограничения по устойчивости, использован принцип автоматического регулирования токов ключевых усилителей мощности при изменениях величины нагрузки в широких пределах. Этот принцип позволил обеспечить высокие точность и скорость регулирования, не допуская тем самым даже коротких по времени выбросов токов, создавая комфортные условия функционирования силовой части аппаратуры ПТ. Силовые элементы в таких условиях могут устанавливаться с минимальным технологическим запасом, что повышает удельные показатели аппаратуры. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Передающий тракт для возбуждения гидроакустических антенн, содержащий цифровую схему управления, формирователь сигналов, параметрический усилитель, сигнальный вход которого соединен с выходом формирователя сигналов, поканально последовательно соединенные N-канальный широтно-импульсный преобразователь, N-канальный ключевой усилитель мощности, N-канальный датчик тока, N-канальный трансформаторный сумматор, выход которого через фильтр нижних частот соединен с шинами возбуждения излучающей гидроакустической антенны, а также шину силового электропитания, подключенную к входу электропитания N-канального ключевого усилителя мощности, а первая шина передачи данных цифровой схемы управления соединена с входом управления параметрического усилителя, причем N-канальный широтно-импульсный преобразователь снабжен входом разрешения излучения, отличающийся тем, что в его состав дополнительно введено N-канальное пороговое вычитающее устройство, а цифровая схема управления и параметрический усилитель выполнены N-канальными, при этом N-1 шин передачи данных N-канальной цифровой схемы управления соединены с N-1 входами N-канального параметрического усилителя, а его сигнальные выходы подключены к сигнальным входам N-канального порогового вычитающего устройства, контрольные входы которого подключены к контрольным выходам N-канального порогового датчика тока, а контрольные выходы - к контрольным входам N-канальной цифровой схемы управления, первый управляющий вход которой соединен с шиной сигнала разрешения излучения, а второй управляющий вход - с источником электропитания N-канального ключевого усилителя мощности, а выход сигнала разрешения излучения N-канальной цифровой схемы управления - с управляющим входом N-канального широтно-импульсного преобразователя.

2. Передающий тракт по п. 1, отличающийся тем, что входящая в его состав цифровая схема управления содержит поканально последовательно соединенные N-канальный аналого-цифровой преобразователь, N-канальный цифровой компаратор, N-канальный кольцевой счетчик, N-канальный мультиплексор, а также аналого-цифровой преобразователь источника Е электропитания КУМ, счетчик ВАРУ и счетчик задержки τ, при этом контрольные входы N-канального аналого-цифрового преобразователя подключены к контрольным выходам N-канального порогового вычитающего устройства, выходные шины передачи данных N-канального мультиплексора соединены с входами управления N-канального параметрического усилителя, в свою очередь шина разрешения излучения соединена с входом счетчика ВАРУ, выходная шина данных которого соединена с первым управляющим входом N-канального мультиплексора и входом счетчика задержки τ, выходная шина которого соединена с управляющим входом N-канального широтно-импульсного преобразователя, а шина источника электропитания КУМ подключена к входу аналого-цифрового преобразователя источника электропитания КУМ, выходная шина данных которого соединена с вторым управляющим входом N-канального мультиплексора.