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  實驗名稱(cheng)：基于多通道接(jie)收和發射的水(shui)聲(sheng)通信機(ji)

  研(yan)究方向：水(shui)聲通信

  測試設備(bei)：數模轉化器(qi)(qi)、ATA-ML180水聲功率放(fang)大器(qi)(qi)模塊、示(shi)波(bo)器(qi)(qi)、接(jie)收換能(neng)器(qi)(qi)、發射換能(neng)器(qi)(qi)等。

圖：實驗原理

  一、發(fa)射機的雙通道發(fa)送(song)實驗(yan)：

  實驗過(guo)程：利(li)用Matlab軟件(jian)(jian)生成(cheng)波(bo)(bo)(bo)形(xing)數(shu)(shu)據，即產(chan)生16位寬度的(de)(de)12kH正(zheng)弦(xian)波(bo)(bo)(bo)的(de)(de)波(bo)(bo)(bo)形(xing)數(shu)(shu)據，接(jie)著把(ba)該波(bo)(bo)(bo)形(xing)數(shu)(shu)據轉(zhuan)成(cheng)mif文(wen)件(jian)(jian)。可以(yi)通(tong)(tong)過(guo)FPGA序利(li)用mif文(wen)件(jian)(jian)將波(bo)(bo)(bo)形(xing)數(shu)(shu)據輸入(ru)到數(shu)(shu)模轉(zhuan)換器DAC8814中，來產(chan)生實際(ji)的(de)(de)12kHz正(zheng)弦(xian)波(bo)(bo)(bo)波(bo)(bo)(bo)形(xing)。該模擬波(bo)(bo)(bo)形(xing)再經過(guo)ATA-ML180水聲率(lv)放大(da)器模塊與阻抗匹配網絡(luo)放大(da)，最(zui)終在水聲換能(neng)器中轉(zhuan)化(hua)成(cheng)聲音信號(hao)。把(ba)發(fa)射機通(tong)(tong)道(dao)(dao)1和通(tong)(tong)道(dao)(dao)2同時連(lian)接(jie)到水聲換能(neng)器，再用示波(bo)(bo)(bo)器分別觀察兩個通(tong)(tong)道(dao)(dao)的(de)(de)輸出信號(hao)，以(yi)驗證雙通(tong)(tong)道(dao)(dao)發(fa)射的(de)(de)功能(neng)并測量最(zui)大(da)功率(lv)。

圖：發(fa)射機雙(shuang)通道輸出(chu)信號(hao)結果圖

  二、接收(shou)機通道增益測試：

  實(shi)驗過程：設置(zhi)信(xin)號發生器分(fen)(fen)別(bie)輸出9kHz、12kHz及15kHz的(de)正(zheng)弦波(bo)信(xin)號且峰峰值都(dou)為(wei)10mVpp。同時將接收增益設置(zhi)為(wei)4dB，再(zai)分(fen)(fen)別(bie)測(ce)量這三個頻(pin)點的(de)輸出信(xin)號的(de)峰峰值和頻(pin)率。

  實驗(yan)結果：當接收(shou)機(ji)(ji)的(de)接收(shou)通道(dao)放大倍數保持不變(bian)時，分別(bie)讓輸入信號的(de)頻(pin)率為(wei)9kHz、12kHz及15kHz，其輸出(chu)結果可見下(xia)(xia)(xia)圖5-6。對(dui)示波(bo)器(qi)所顯示的(de)數據進行觀察接收(shou)機(ji)(ji)的(de)輸出(chu)信號分別(bie)為(wei)9kHz下(xia)(xia)(xia)728mVpp12kHz下(xia)(xia)(xia)928mVpp及15kHz下(xia)(xia)(xia)840mVpp。它們(men)相應的(de)增益分別(bie)為(wei)37.24dB、39.35dB和(he)38.48dB，帶內增益波(bo)動小于3dB，滿足設計要求。

圖：接收機的(de)輸(shu)出信號結果圖

  三(san)、接收機的(de)八通(tong)道采(cai)集數據實驗：

  實驗過程：為(wei)了驗證接(jie)收機八(ba)(ba)通(tong)(tong)道采(cai)集(ji)數據(ju)(ju)的(de)(de)(de)功能，首先讓信號(hao)發生器(qi)輸出(chu)頻率為(wei)12kHz的(de)(de)(de)正弦波，并將(jiang)輸出(chu)連(lian)接(jie)至接(jie)收機的(de)(de)(de)八(ba)(ba)個(ge)(ge)通(tong)(tong)道。隨后，接(jie)收機將(jiang)模(mo)擬(ni)波形變換為(wei)16位寬度(du)的(de)(de)(de)數字數據(ju)(ju)。此時，設置接(jie)收機的(de)(de)(de)采(cai)樣率為(wei)96kHz，其對12kHz的(de)(de)(de)正弦波進(jin)行采(cai)樣，每個(ge)(ge)周(zhou)期(qi)8個(ge)(ge)點(dian)。這些數據(ju)(ju)被FPGA所采(cai)集(ji)，FPGA再(zai)通(tong)(tong)過串口(kou)把(ba)八(ba)(ba)個(ge)(ge)通(tong)(tong)道的(de)(de)(de)數據(ju)(ju)傳輸到電(dian)腦上。最后，借助Matlab軟件對八(ba)(ba)個(ge)(ge)通(tong)(tong)道數據(ju)(ju)進(jin)行畫圖(tu)并分(fen)析，進(jin)而驗證接(jie)收機八(ba)(ba)通(tong)(tong)道采(cai)集(ji)數據(ju)(ju)的(de)(de)(de)功能。

  實(shi)驗結果：通(tong)道1數(shu)據見(jian)圖5-8a)，該(gai)據形顯(xian)為(wei)(wei)正每個周期(qi)的點數(shu)為(wei)(wei)8個點。至于接(jie)收機(ji)的八通(tong)道同(tong)步采(cai)(cai)樣(yang)數(shu)據如圖5-8b)所(suo)示，可以看(kan)到八個通(tong)道的波(bo)形都(dou)為(wei)(wei)正弦波(bo)，波(bo)形非常(chang)相(xiang)似，且頻率(lv)都(dou)為(wei)(wei)12kHz，符合實(shi)驗結果。因(yin)此，接(jie)收機(ji)是支持八通(tong)道同(tong)步采(cai)(cai)樣(yang)的功(gong)能。

  四、水聲(sheng)通信機功(gong)耗測試：

  實驗(yan)過程：將水(shui)聲通信機接入(ru)24V的直流電(dian)壓。且讓水(shui)聲通信機處(chu)于(yu)不同模式下，分(fen)別(bie)記錄(lu)直流電(dian)源儀器上的電(dian)流和功耗(hao)大小。

  實(shi)驗(yan)結果(guo)：水聲通信機在(zai)進(jin)入(ru)值(zhi)班模式后(hou)，分別(bie)對兩級測(ce)(ce)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)進(jin)行測(ce)(ce)量如(ru)圖(tu)5-10a)所示，第(di)一(yi)級檢測(ce)(ce)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)的(de)(de)功(gong)(gong)(gong)耗(hao)(hao)為(wei)(wei)(wei)96mW。如(ru)圖(tu)5-10b)所示，第(di)二(er)級檢測(ce)(ce)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)的(de)(de)輸(shu)出(chu)(chu)功(gong)(gong)(gong)率顯(xian)示為(wei)(wei)(wei)0mW，這是(shi)由(you)于輸(shu)出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)(dian)流小(xiao)于1mA，致使直流電(dian)(dian)(dian)(dian)源的(de)(de)輸(shu)出(chu)(chu)功(gong)(gong)(gong)率無法顯(xian)示。因此采用電(dian)(dian)(dian)(dian)流表進(jin)行測(ce)(ce)量。其電(dian)(dian)(dian)(dian)流值(zhi)見圖(tu)5-10e)，為(wei)(wei)(wei)075mA，將其乘以輸(shu)入(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)24V可得功(gong)(gong)(gong)耗(hao)(hao)大小(xiao)為(wei)(wei)(wei)18mW。因此，第(di)二(er)級檢測(ce)(ce)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)的(de)(de)功(gong)(gong)(gong)耗(hao)(hao)約為(wei)(wei)(wei)第(di)一(yi)級的(de)(de)五分之(zhi)一(yi)，進(jin)而驗(yan)證二(er)級值(zhi)班電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)的(de)(de)低功(gong)(gong)(gong)耗(hao)(hao)優勢。

  2、水(shui)聲通信機在進入發(fa)送(song)模式后。如圖5-10c)所示，輸(shu)出電流為0.111A，功耗大小為2.664W。

  3、水聲(sheng)通信機在進入接收模式后。如圖5-10d)所示，輸(shu)出(chu)電流為(wei)0.208A，功耗大小為(wei)4.992W。

  綜上，從電源儀器和電流表的(de)(de)測量結(jie)果中，可知二級(ji)(ji)值(zhi)班電路的(de)(de)功(gong)耗非常低(di)，低(di)至(zhi)18mW，僅約為一級(ji)(ji)值(zhi)班電路的(de)(de)五分之一，可以很好地(di)滿足低(di)功(gong)耗設計的(de)(de)要求(qiu)。至(zhi)于發(fa)射機和接收機的(de)(de)功(gong)耗，可以采取優化控制和切換等(deng)方式(shi)進(jin)行減小。

  安(an)泰(tai)ATA-ML100系列(lie)水(shui)聲(sheng)功率放大器模塊：

圖：ATA-ML系列水聲(sheng)功率放(fang)大(da)器模塊(kuai)指標(biao)參數

  本文實驗素材由西安安泰電子整理發布。西安安泰電子是專業(ye)從事功率放(fang)大(da)器(qi)、高壓放(fang)大(da)器(qi)、功率信(xin)號(hao)源(yuan)、前置微小(xiao)信(xin)號(hao)放(fang)大(da)器(qi)、高精(jing)(jing)度(du)電壓源(yuan)、高精(jing)(jing)度(du)電流源(yuan)等電子測(ce)量儀器(qi)研發、生產和(he)銷售的(de)高科(ke)技企(qi)業(ye)。Aigtek已經成為在業界擁有廣泛產品線，且具有相當規模的儀器設備供應商，樣機都支持免費試用。如想了解更多功率放大器等產品，請持續關注安泰電子官網。