数字集成电路技术在水文水下信号发生器中的应用_王挺.pdf

四 川 水 利数字集成电路技术在水文水下信号发生器中的应用王 挺（四川省南充升钟水利工程建设管理局，四川 南充，）【摘 要】水文水下信号发生器是缆道流速仪法中关键设备之一，一种利用数字集成电路技术设计的多音频信号发生器得到广泛应用。文章从水文水下信号发生器的工作原理入手，着重通过实例分析数字集成电路技术在其中的应用，并总结了该类水下信号发生器的优势，为水文缆道测流信号应用提供了技术参考。【关键词】水文水下信号发生器 数字集成电路 反相器 稳态触发器 与非门振荡器 中图分类号：文献标志码：文章编号：（）前言水文水下信号发生器是将流速、水面、河底及多种水下控制等信号转换成适合缆索与水体回路传输的直流或交流的电脉冲信号发生器，适用于水文测流缆道和水文测船。一般分为直流信号发生器、单音频信号发生器、双音频信号发生器和多音频信号发生器。年后主要是使用数字集成电路技术的多音频水下信号发生器。数字集成电路是基于数字逻辑（布尔代数）设计和运行的、基于逻辑门搭建的，用于处理数字信号的集成电路；按逻辑功能分类有组合逻辑电路和时序逻辑电路，按电路结构分为 集成电路和 集成电路。水下信号发生器利用数字集成电路可靠性高、电路简单、功耗较低等特点以适应天然河道水下复杂工作环境。水下信号发生器工作原理水下信号发生器（图）由水下密封容器、电池、音频发生单元、信号优先权控制单元、信号放大输出单元组成。密封容器采用耐压强度 个大气压不锈钢管，电池为 可充锂电。图 水下信号发生器结构水下信号发生器工作原理如图。当水面、河底、流速等信号分别产生时，由受控音频单元产生不同频率的音频信号，经信号放大输出，缆道回路传输，水上接收解调出各自对应信号待用。当多种信号同时到来时，经优先权控制电路按各信号的优先权级别产生相应的音频信号，再经信号放大输出，缆道回路传输，水上接收解调待用。图 水下信号发生器原理 数字集成电路在水下信号发生器中的应用 年升钟水库开封水文站缆道测流系统改造时，采用一种三音频水下信号发生器。其主要电路以数字集成电路技术为主的信号采集单元、优先权控制单元和音频发生单元组成。电电路路组组成成如图，信号采集单元主要由反相器电路构成，控制单元主要由 型双稳态触发器构成，音频发生单元主要由与非门振荡电路构成。系统自动产生水面、流速和河底音频信号。王 挺：数字集成电路技术在水文水下信号发生器中的应用 图 电路原理 数数字字集集成成电电路路的的选选择择（）反相器采用，稳态触发器采用，与非门采用，均为技术成熟、通用性强、性价比高的 数字集成电路。（）、和 集成度高，均为多路功能电路集成于一块芯片中，并采用 封装，芯片的体积更小巧。应用数字集成电路技术实现水下音频信号产生 应应用用反反相相器器 准准确确采采集集触触发发信信号号 为六路反相器（图），可以同时接入三路信号源采集各种触发信号。图 反相器采集信号示意 反反相相器器工工作作原原理理 反相器由一个 管、一个 管、一个输入源 和一个输出 组成。当 为低电平时，下管 截止，上管 管进入可变电阻区，管压降很小，；当 为高电平时，上管 截止，下管 管进入可变电阻区，管压降很小，。水水面面信信号号 第一组输入端 连接阻值不等的两个电阻，小电阻 接电源，大电阻 接地，两端并联水面信号传感器。入水前，传感器开路，（），即输入为高电平，则输出 为低电平；当安装在铅鱼尾翼上的水面信号传感器入水后（图），相当于在 上并联了一个水阻 水，并（水）（水），此时 并远小于，并（并）远小于，即输入变为低电平，则输出 变为高电平。流流速速信信号号 第二组输入端 连接电阻和流速仪。以 旋桨式流速仪为例，水流带动旋桨每旋转 转，接触丝（如图 开关）接通一次，则 接地，由高电平变为低电平，则输出 变为高电平。河河底底信信号号 第三组输入端 连接电阻和干簧管。铅鱼沉到河底，腹部的托盘将被托起触发干簧管（如图 开关）导通，则 接地，由高电平变为低电平，则输出 变为高电平。应应用用 型型双双稳稳态态触触发发器器 实实现现电电路路优优先先权权和和控控制制水水面面信信号号产产生生 为 型双稳态触发器，内部由两个独立 触发器 和 构成（图），用于优先权电路控制，用于控制水面信号产生。当控制信号 或（高电平）时，输出 和 与时钟 和输入 无关，；当控制信号（低电平）时，的上升沿生效触发，此时输出等于输入即，。图 型双稳态触发器及水面信号产生示意 优优先先权权控控制制电电路路的的实实现现（）优先权控制电路是当水面信号被识别后才能触发稳态触发器作为后续音频振荡电路的电源开关。即使其他传感器信号先于水面信号触发，其对应的音频振荡电路也不能工作，控制台不能捕捉到其音频信号。（）设备入水，反相器 第一组输出高电平接至 的 的，再用反相器产生低电平接，控制信号 ，则输出（高电平），开启后续音频振荡电路；反之，出水后，输出（低电平），关闭后续音频振荡电路。控控制制水水面面音音频频产产生生是是缆缆道道自自动动化化测测控控的的 四 川 水 利关关键键（）水面信号传感器入水后，控制台捕捉到水面音频信号，测深仪置零，开始测算设备入水深度。如果反相器的水面触发信号高电平直接输入给音频振荡器，则振荡器在水中会持续产生水面音频信号，测深仪就会持续置零而导致无法测算设备的入水深度，从而不能测流。为保证测深数据准确，只允许在入水瞬间产生一次水面音频信号，之后水面音频振荡电路停止工作至再次重新入水。（）利用 的（型稳态触发器）的状态锁存功能，令 的 。入水前，则 ；入水瞬间，输入 跃变为，但此时无时钟信号（相当于 ），输出 仍保持原来的状态（），水面音频信号振荡电路的输入端 ，振荡电路起振产生音频信号，同时将其分频整形后延时反馈给 的 作为时钟信号，当时钟的第一个上升沿到达时触发生效，则振荡电路 ，振荡停止（如图）。如此，水面音频振荡电路只在从开始入水到时钟的第一个上升沿来到过程产生一次音频信号，保证测深仪正确置零。应应用用 与与非非门门振振荡荡电电路路产产生生音音频频信信号号（）水面、流速和河底分别使用一只四路二输入与非门 构成各自的音频振荡电路。每个振荡电路需要两路与非门，与非门 的输入端 初始为低电平，为高电平，保持一个稳定的初始状态，与非门 将两个输入短接构成反相器；两与非门同 和 组成的微分电路构成音频振荡电路（图），。图 内部结构及振荡电路示意（）与非门振荡器的频率 （）。通常将电容 设计为固定值 ，电阻 为可变电阻。设备出厂时，一般设定为业界最常用的频率：水面音频、流速音频、河底音频。设备安装时，在测流系统现场根据情况最终调定电阻值，从而确定每种音频频率。数数字字集集成成电电路路技技术术水水下下信信号号发发生生器器的的优优点点升钟水库开封水文站改造后的测流缆道系统历经几个汛期检验，整体运行稳定，该信号发生器还具有以下几个优点：（）电路简单。、和 集成电路功能强，整体电路逻辑清晰，所需的外围元器件极少，所以电路板能尽量小型化，同时也可将水下发生器的密封器做得更小，结构更加坚固，对水流的扰动更小；方便后期运维。（）功耗低。集成电路采用场效应管，且都是互补结构，电路静态功耗理论上为零；能在较低电压下工作，只在 门开关期间消耗功率，并且只需要很少的器件即可实现功能。经实测检验，电池充电一次可以完成超过 个测次，减少更换设备的次数，工作效率提高。特别适合电池供电的场景。（）抗干扰能力强。测流缆道在空中形成一张巨大“天线网”，接收到很多干扰信号。数字集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的，保证值为电源电压的，因此，抗干扰能力较强，门电路输出端一般都带缓冲，可以排除杂波的干扰；也能对不稳定的脉冲波整形，特别是在采集各种传感器的信号时，由于天然河道环境复杂，数字电路能准确捕捉到变化量；为避免各个音频之间的相互干扰，在面积有限的电路板上，采用了三组独立的振荡电路。（）可靠性高。水面信号产生电路中，巧妙利用 型双稳态触发器 的触发逻辑，通过简单的电路，准确实现入水只产生一次音频的效果，无需手动确定，既避免了人为误差，又实现了自动控制；即或在入水时铅鱼产生弹跳出现多次出入水情况，系统能以最后一次入水为准，避免逻辑错误；优先权控制电路避免了早期单稳态触发器方案出现的暂稳态问题，工作更加可靠，测流过程也更加稳定；增加河底信号后，避免了改造前铅鱼常触底后缆索松弛脱槽的情况发生，缆道安全性大大提高。（）有利于信号传输。改造前采用直流脉冲信号方案，信号必须通过附缆对地绝缘“有线”传输；改造后的音频信号采用主缆接地“无线”传输，接收端只需捕捉相应频率信号即可；该方式避免了“有线”传输过程的线路节点多而不可靠问题，并通过接地能消除大部分空间干扰信号，同时能大大降低雷电对系统的危害。（）操作简单。改造后的缆道系统单人即可操作。信号发生器与解码器、测算仪、以及变频器等基于数字逻辑技术的设备构成缆道控制系王 挺：数字集成电路技术在水文水下信号发生器中的应用 统，测深、测距以及流速均自动运算，改造后人工繁琐的操作和人为误差得到解决。根据实际情况可半自动测流，也可以通过计算机控制进行全自动测流。（）维护方便。信号发生器采用开放性电路设计，且电路简单，只需要万用表即可根据实际情况调整部分参数。改造过程中，水面音频一度受变频器干扰，通过调整振荡电路单元的可变电阻 阻值，轻松跳开干扰频率；相较其他方案设备调整参数需要厂家工程师现场处理，本方案更加便捷；如果部分外围原件损坏，也可自行更换。结语目前，缆道测流方法呈现多元化趋势，但流速仪结合水下信号发生器的方案在我国经过几十年的技术更新和经验积累，可靠性无容置疑；特别是本文介绍的以数字集成电路技术为基础的三音频水下信号发生器，能够满足绝大多数测流站的需求，故其在天然河道测流中仍然占有重要的地位。由于水文测站一般地处偏远，所以本文研究的信号发生器适用性更强。当然有条件的测站采用两套方案并行最佳，互为备份，同时可做数据比测。参 考 文 献 水文缆道测验规范北京：中国水利水电出版社，戴建国水文缆道信号传输的研究水文，（）：欧小东，张照发，周坚波数字电路技术基础北京：电子工业出版社，：，作者简介：王 挺（），男，汉，四川仪陇人，工程师，大学本科，主要从事水文测验工作。：（上接第 页）个别倒虹管最大设计工作压力达。可知本工程倒虹管仅个别倒虹管内压及覆土厚度较大，其余倒虹管内压及覆土厚度均在一般范围内，管道内压及覆土厚度均较小。经济性评估本工程倒虹管管径为 ，为单管布置。倒虹管设计流量 ，建筑物级别为 级 级，工程合理使用年限为 年 年。结合国内外经验，大部分 管出现腐蚀破坏大多是在安装运行后 年 年，倒虹管的合理使用年限与国内外统计数据基本相当，可基本满足在合理使用年限安全运行。结论本文对龙塘水库灌区工程所处地质条件、周边环境腐蚀性、杂散电流、管道设计内压和覆土厚度、经济性作了分析评价，并结合国内外的 管安装运行经验，为了安全、经济性考虑，本工程建议对无或微弱腐蚀性环境条件下，可不必对 管进行阴极保护，仅对 管和钢管进行内、外防腐即可。若现场实测土壤或水具有中或强腐蚀性，则必须对 管进行阴极保护，并建议阴极保护采取牺牲阳极的方式进行。根据周围环境土壤腐蚀性强度，对 管进行分区防腐对待，这样既有利于控制投资又可以对 管进行更好地防护。参 考 文 献李 冰灌区节水改造工程 引水管道阴极保护问题探讨黑龙江水利科技，（）：邢士波，王相民，绿丙芳，等 管道阴极保护技术研究化工管理，（）：赵松源 管道防腐阴极保护防护的建议水利科技与经济，（）：陈 磊，张玲君，刘学知 管道阴极保护技术在鄂北地区水资源配置工程中的应用水利水电技术，（）：宋 放大型输水工程 管道阴极保护浅析水利建设与管理，（）：范建强，赵令剑，李凤滨供水管线阴极防腐应用实践水利规划与设计，（）：智 泓，鲍维猛南水北调中线北京段 工程阴极保护测试与分析北京水务，（）：韩 成浅析土壤介质对 管道阴极保护效果的影响研究水利技术监督，（）：作者简介：雷明慧（），男，四川成都人，工程师，硕士研究生，主要从事水利水电工程建筑设计工作。：