超聲波發(fā)射和接收電路

1、超聲波發(fā)射和接收電路 在本設(shè)計(jì)中，我們設(shè)計(jì)的發(fā)射和接收電路都是分別只有一個(gè)，通過繼電器進(jìn)行順、逆流方向收發(fā)電路的切換，這樣做既降低了成本，又消除了非對(duì)稱性電路誤差，且發(fā)射脈沖通過使用單獨(dú)的繼電器分別對(duì)發(fā)射和接收換能器進(jìn)行控制，使換能器的發(fā)射和接收電路完全隔離，消除了發(fā)射信號(hào)對(duì)接收的影響。4.2.1超聲波發(fā)射電路 接收信號(hào)的大小和好壞直接取決于發(fā)射傳感器的發(fā)射信號(hào),由于使用收發(fā)共 用型超聲換能器，所以除了選用性能優(yōu)良的超聲波傳感器外，發(fā)射電路和前級(jí)信 號(hào)接收電路至關(guān)重要，它決定著整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度和精度。 超聲波測量最常用的換能器發(fā)射電路大體可分為三種類型：窄脈沖觸發(fā)的寬帶激勵(lì)電路、調(diào)制脈沖諧振電

2、路和單脈沖發(fā)射電路。從早先國內(nèi)進(jìn)口的日本超聲波流量計(jì)來看，基本都采用的是窄脈沖驅(qū)動(dòng)電路。這種電路在設(shè)計(jì)上一般是用一個(gè)極快速的電子開關(guān)通過對(duì)儲(chǔ)能元件的放電來實(shí)現(xiàn)，這些開關(guān)器件通常為晶閘管或大功率場效應(yīng)管（MOSFET）。由于需要輸出激勵(lì)信號(hào)的瞬時(shí)功率大，因此開關(guān)器件必須由直流高壓供電，一般要達(dá)到幾十到一百伏以上，這在電池供電的系統(tǒng)中無法實(shí)現(xiàn)；此外，開關(guān)瞬間會(huì)產(chǎn)生高壓脈沖，對(duì)整個(gè)電路的抗干擾設(shè)計(jì)不利。而脈沖諧振電路設(shè)計(jì)起來比較簡單，其基本方法是用振蕩電路產(chǎn)生一個(gè)高頻振蕩，經(jīng)過幅值和功率放大后接至換能器，使換能器發(fā)出超聲波，確保高頻振蕩的頻率與換能器固有頻率一致，則可獲得超聲發(fā)射的最佳效果。諧振電路

3、能夠使用較低的電壓產(chǎn)生較強(qiáng)的超聲波發(fā)射，適合使用電池供電的系統(tǒng)，而且它能精確地控制發(fā)射信號(hào)，效率高。 在本設(shè)計(jì)中，超聲發(fā)射電路采用了連續(xù)脈沖發(fā)射電路，它由脈沖發(fā)生、放大電路構(gòu)成，具體電路連接如圖17所示。單片機(jī)發(fā)出的方波信號(hào)經(jīng)三極管放大和變壓器升壓，達(dá)到足夠功率后推動(dòng)換能器超聲超聲波，這里變壓器的主要用途是升高脈沖電壓和使振蕩器的輸出阻抗與負(fù)載（超聲換能器）阻抗匹配，變壓器與探頭接成單端激勵(lì)方式。 圖17超聲波發(fā)射電路4.3.2 超聲波接收電路 發(fā)射換能器發(fā)出超聲波信號(hào)后，信號(hào)經(jīng)過流體傳播到接收換能器，中間有雜 質(zhì)和氣泡等影響，強(qiáng)度不斷減小，并且強(qiáng)度也不穩(wěn)定。為了實(shí)現(xiàn)高精度的測量， 在信號(hào)到達(dá)

4、檢測電路前必須使信號(hào)穩(wěn)定可靠，根據(jù)接收信號(hào)的實(shí)際情況，我們對(duì) 所設(shè)計(jì)的超聲波接收電路主要由放大電路、濾波電路、自動(dòng)控制增益電路、電壓 比較電路等部分組成。1) 放大電路 通常超聲波換能器接收到的超聲波信號(hào)是非常小的，只有幾毫伏，而一般 ADC需要采樣的信號(hào)的幅值為5V，所以必須對(duì)它進(jìn)行放大。放大電路采用三級(jí)放大，第一級(jí)和第三級(jí)放大采用固定增益放大，完成信號(hào)的基準(zhǔn)放大，第二級(jí)采用具有程控增益調(diào)整功能的芯片AD603來實(shí)現(xiàn)，這樣當(dāng)?shù)谝患?jí)和第三級(jí)確定后，可以通過調(diào)節(jié) AD603 控制端的電壓來調(diào)節(jié)整個(gè)放大電路的增益，使輸出信號(hào)達(dá)到要求的幅值。1 高輸入阻抗的前置放大電路 該電路的主要作用是對(duì)超聲波換

5、能器的接收信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配放大。超聲波換能器的阻抗很大，一般在10 6以上，普通的放大器很難與之匹配，只有 MOS 結(jié)構(gòu)的放大器才有那么高的輸入阻抗。所以，我們選擇高輸入阻抗運(yùn)算放大器LF357，它采用 JFET組成差分輸入級(jí)，其輸入阻抗高達(dá) 10 12。在設(shè)計(jì)中，LF357采用同相放大接法，這級(jí)的放大倍數(shù)是。其電路如圖18所示： 圖18 前置放大電路2 自動(dòng)增益放大電路 由于超聲波流量計(jì)測量管徑的范圍很大（幾厘米幾米），而且管壁情況和流體介質(zhì)也有很大差異，因此接收信號(hào)的幅值會(huì)有很大的不同（幾毫伏幾百毫伏）如果僅采用普通的集成運(yùn)算放大器，對(duì)超聲波接收信號(hào)采用幅度鑒別的方式則可能出現(xiàn)誤判的現(xiàn)象。

6、為使放大后信號(hào)的幅值保持在同一數(shù)量級(jí)，要選用自動(dòng)增益放大電路來放大信號(hào)。通常采用程控增益放大器來完成這一功能，其工作原理是將放大后接收信號(hào)的峰值采樣保持下去，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后去控制程控增益放大器的放大倍數(shù)，使輸出保持穩(wěn)定。使用程控增益放大器的不足是所用的器件較多，電路設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜，而且其跳躍性的放大倍數(shù)可能會(huì)造成電路工作的不穩(wěn)定。 本文采用美國ADI公司的AD603壓控VGA芯片作為自動(dòng)增益放大器。AD603 是一個(gè)低噪、90MHz 帶寬增益可調(diào)的集成運(yùn)放，如增益用分貝表示，則增益與控制電壓成線性關(guān)系，壓擺率為 275V/s。管腳間的連接方式?jīng)Q定了可編程的增益范圍，增益在-11+30dB

7、時(shí)的帶寬為90Mhz，增益在+9+41dB 時(shí)具有 9MHz 帶寬，改變管腳間的連接電阻，可使增益處在上述范圍內(nèi)。該集成電路可應(yīng)用于射頻自動(dòng)增益放大器、視頻增益控制、A/D 轉(zhuǎn)換量程擴(kuò)展和信號(hào)測量系統(tǒng)。AD603 的外部結(jié)構(gòu)圖如圖19所示： 圖19 AD603引腳圖管腳 1：GPOS 增益控制電壓正相輸入端（加正電壓增大增益）； 管腳 2：GNEG 增益控制電壓反相輸入端（加負(fù)電壓增大增益）； 管腳 3：VINP 運(yùn)放輸入端； 管腳 4：COMM 運(yùn)放接地端管腳 5：FSBK 反饋網(wǎng)絡(luò)連接端； 管腳 6：VENG 負(fù)供電電源端； 管腳 7：VOUT 運(yùn)放輸出端； 管腳 8：VPOS 正供電電源

8、端 圖20 AD603結(jié)構(gòu)框圖 AD603 的簡化原理框圖如圖20所示，它由無源輸入衰減器、增益控制界面和固定增益放大器三部分組成。圖中加在梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端（VINP）的信號(hào)經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口的電壓決定。增益的調(diào)整與其自身電壓值無關(guān)，而僅與其差值 VG有關(guān)，增益和電壓的換算系數(shù) 25Mv/dB，即若VG的變化范圍為1V，增益的變化范圍為40dB，由于控制電壓 GPOS/GNEG 端的輸入電阻高達(dá) 50M，因而輸入電流很小，致使片內(nèi)控制電路對(duì)提供增益控制電壓的外電路影響減小。無源輸入衰減器由一個(gè)可從0dB到-42.14dB 變化的衰減器組成，這個(gè)衰減器與固定

9、增益放大器中的固定增益運(yùn)放相連，由于該衰減器的存在，即使有大的輸入，固定增益運(yùn)放也不會(huì)受到?jīng)_擊，而且還可以與運(yùn)放構(gòu)成負(fù)反饋確保增益的穩(wěn)定性。衰減器包括7段R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)依次衰減6.021dB，如圖從0dB到-42.14dB。其衰減的程度受當(dāng)VG的控制。當(dāng)VOUT和FDBK兩管腳的連接不同時(shí)，其放大器的增益范圍也不一樣，其頻帶寬度可以為：9MHz、45MHz、90MHz。 當(dāng)AD603的腳5和腳7短接時(shí)，AD603的增益為40VG +10，這時(shí)的增益范圍在 -10+30dB；當(dāng)腳5和腳7斷開時(shí)，其增益為 40VG +30，這時(shí)的增益范圍為 1050dB。如果在5腳和7腳接上電阻，其增

10、益范圍將處于上述兩者之間，比如當(dāng)接一個(gè)2.15k的電阻時(shí)，增益的變化范圍為 40V G 。 在這里，我們在 AD603 的腳7和腳5接了一個(gè)電阻2.15k的電阻，這樣增益的變化范圍為40VG，且信號(hào)的帶寬大于90MHz。當(dāng)VG的取值為V時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)0dB范圍的變換，通過PWM反饋和固定電壓0.5V的差動(dòng)輸入，達(dá)到自動(dòng)增益調(diào)節(jié)的目的。3 第三級(jí)放大電路末級(jí)放大電路的作用是將第二級(jí)放大輸出的信號(hào)進(jìn)一步放大，以滿足信號(hào)檢 測和鑒別電路的要求。我們選用具有高增益帶寬的放大器NE5532N，其增益帶寬積可達(dá)20MHZ，采用同相比例放大電路，其電路圖見圖21，選取為1K，為20K，為50K，電路的閉環(huán)電

11、壓增益。2) 濾波電路 在超聲波接收信號(hào)中，往往會(huì)摻雜一些干擾信號(hào)，在電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能 將這些干擾信號(hào)除去。但是要完全把干擾信號(hào)除掉是不可能的，我們只能將這些 干擾信號(hào)盡可能減小。 因?yàn)槌暡ㄐ盘?hào)的頻率大致為1MHz，由運(yùn)放和電容等器件構(gòu)成的有源濾波器 的帶寬一般較窄，通常不適用于高頻范圍，最大在幾百千赫茲，且在這個(gè)頻率附 近不易采用，而若采用專用集成的濾波電路造價(jià)又偏高，因此我們決定采用由電 感和電容組成的LC濾波器。 圖21 第三級(jí)放大電路圖 圖22 濾波電路 如圖22所示，由 L、C 組成并聯(lián)諧振，將諧振頻率設(shè)在1.5MHz，由L1、C1 以及L2、C2組成串聯(lián)諧振，整個(gè)形成T型網(wǎng)路

12、，實(shí)現(xiàn)了帶通濾波。3) 接收范圍門 由于發(fā)射信號(hào)功率較大，發(fā)射信號(hào)通過電路和聲路都可以耦合到接收電路上，影響接收信號(hào)的接收。所以可以采用范圍門防止發(fā)射脈沖對(duì)接收信號(hào)的干擾。在設(shè)計(jì)中，接收電路并不是在超聲波發(fā)射一開始就打開的，而是根據(jù)信號(hào)預(yù)期最早和最晚到達(dá)時(shí)間設(shè)置一個(gè)接收范圍門。首先，根據(jù)聲路長度來估計(jì)一個(gè)脈沖最早和最晚可能到達(dá)的時(shí)刻，在最早時(shí)間的0.6倍處打開接收電路，這樣，一方面可以防止發(fā)射超聲波直接耦合到接收換能器中，另一方面可以排除開關(guān)動(dòng)作帶來的干擾；然后，通過設(shè)置軟件延時(shí)，在最晚到達(dá)時(shí)間的1.5倍處關(guān)閉接收電路。接收電路的開通和關(guān)閉可通過單片機(jī)的I/O口控制來實(shí)現(xiàn)。4) 采樣保持電路

13、超聲波接收信號(hào)經(jīng)過放大和濾波后，進(jìn)入采樣保持電路。采樣保持電路對(duì)接 收到的超聲波信號(hào)的第一個(gè)峰值進(jìn)行采樣，并將它保存下來。這樣，就可以利用 A/D 轉(zhuǎn)換器將采樣到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，供控制單元進(jìn)行增益控制，保證測量的準(zhǔn)確性。具體電路如圖23所示： 圖23 采樣/保持電路圖 經(jīng)采樣保持后的信號(hào)送到A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器選用TLC1543芯片，此芯片是CMOS、10位開關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，有11個(gè)模擬輸入通道，內(nèi)部固有的采樣與保持，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)有較小的轉(zhuǎn)換誤差。TLC1543有三個(gè)輸入端和一個(gè)三態(tài)輸出端，即片選(CS)、輸入/輸出時(shí)鐘(I/O CLOCK)、地址輸入(ADDRESS

14、)和數(shù)據(jù)輸出(DATA OUT)，這樣就和微處理器的串口有一個(gè)直接的4 線接口，從而可以實(shí)現(xiàn)與微處理器之間進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器得到的信號(hào)峰值電壓數(shù)值通過串口送到微處理器保存起來，作為下一次測量時(shí)的控制電壓參數(shù)值。 在每次進(jìn)行測量之前，應(yīng)該先根據(jù)上一次A/D轉(zhuǎn)換器測得的電壓值(第一次可以給出一個(gè)初始值)來調(diào)節(jié)第二級(jí)放大器增益控制端的電壓。這個(gè)控制電壓是由D/A轉(zhuǎn)換器和電壓調(diào)整電路構(gòu)成的。 D/A轉(zhuǎn)換器選用帶有緩沖基準(zhǔn)輸入(高阻抗)的10位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器( DAC) TLC5615，DAC具有基準(zhǔn)電壓兩倍的輸出電壓范圍，且DAC是電調(diào)變化的。器件使用簡單，用單5V電源工作，功耗低

15、，具有上電復(fù)位功能以確保可重復(fù)啟動(dòng)。器件的更新頻率可以達(dá)到1.2MHZ，典型建立時(shí)間為12.Ss，并且在溫度范圍內(nèi)保持單調(diào)性。CPU 根據(jù)上一次A/D轉(zhuǎn)換器測得的電壓值計(jì)算出本次測量時(shí)D/A 轉(zhuǎn)換器應(yīng)該補(bǔ)償?shù)碾妷褐担ㄟ^與TLC5615的串口將數(shù)據(jù)傳送給D/A轉(zhuǎn)換器，然后D/A轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出。這個(gè)電壓經(jīng)過電阻分壓后在運(yùn)算放大器的同相端產(chǎn)生一個(gè)電壓，再經(jīng)過運(yùn)算放大器放大輸出，這樣就得到了 AD603增益控制端的電壓，從而起到調(diào)節(jié)放大電路增益的目的，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大的自動(dòng)增益控制。5) 電壓比較電路 正確地確定超聲波接收信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻是整個(gè)電路中一個(gè)很關(guān)鍵的地方，它直接影響到超聲波傳播時(shí)

16、間的測量精度。在這里，我們采用了電壓比較電路對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行有效性檢驗(yàn)，利用設(shè)置一個(gè)有效信號(hào)檢測門檻對(duì)信號(hào)的過零點(diǎn)、處進(jìn)行檢測。電路主要由高精度的過零比較器MAX913和高速雙路電壓比較器MAX902組成。由過零比較器可得到過零點(diǎn)信號(hào)；由雙路電壓比較器可得到過+0.2V 和-0.2V 信號(hào)，這三個(gè)輸出信號(hào)最后都送到單片機(jī)進(jìn)行邏輯控制。其電路見圖24所示： 圖24 電壓比較電路 圖24 電壓比較電路6) 切換控制電路 該部分的作用是用來完成兩個(gè)超聲波探頭和發(fā)射、接收電路的切換的。作為對(duì)模擬信號(hào)的切換，可以有以下兩個(gè)方案：1 采用模擬開關(guān)。模擬開關(guān)的開關(guān)頻率高，對(duì)信號(hào)的影響比較小，但由于切換的雙方是接收到的微弱的超聲信號(hào)和用于發(fā)射的高壓信號(hào)，難以找到既能夠承受高壓又能使得傳輸?shù)奈⑷跣盘?hào)失真較小的芯片；2 用繼電器進(jìn)行切換。當(dāng)信號(hào)接通后，由于繼電器實(shí)際上就是導(dǎo)線，所以不存在信號(hào)失真的現(xiàn)象，并且還能完成信號(hào)的隔離。但繼電器的開關(guān)頻率有限，而且有一定的總開關(guān)次數(shù)限制，一般在100萬次； 鑒于以上原因，我們暫時(shí)選用了繼電器方案，選擇2個(gè)直流電壓