場效應管在脈沖超聲波激發(fā)電路中的應用

場效應管在脈沖超聲波激發(fā)電路中的應用

1激發(fā)和接收電路如圖1所示，脈沖超聲波激發(fā)接收電路由兩個部分組成：激發(fā)電路和接收電路。激發(fā)電路包括多諧振蕩電路、場效應管驅動電路、充放電電路及電源電路;接收電路包括輸入保護電路、放大電路、濾波電路及電源電路等。激發(fā)電路的功能是在外接的磁致伸縮式超聲傳感器上施加高壓脈沖,產生脈沖磁場,進而在磁致伸縮絲中激發(fā)出脈沖超聲波;接收電路的功能是對磁致伸縮式傳感器輸出的微弱感應電動勢進行調理輸出,并抑制激發(fā)時施加于傳感器的高壓激發(fā)脈沖,保護放大電路。對于磁致伸縮式傳感器,激發(fā)出的脈沖超聲波的頻率一般在幾十kHz到幾百kHz之間,為了產生良好的脈沖波形,要求激發(fā)時的高壓脈沖寬度為幾百ns到幾μs,脈沖電壓的幅值為幾十到幾百V,脈沖的上升時間為幾十ns.研制的電路板高壓脈沖的寬度在500ns到5μs之間可調,脈沖電壓最大為80V,脈沖的上升時間低于50ns.2激勵裝置2.1施加高壓深深相脈沖在各種脈沖超聲檢測儀器及超聲收發(fā)板卡中,都需對傳感器施加高壓瞬間脈沖。在傳感器中激發(fā)脈沖超聲波,高壓脈沖產生電路是各種脈沖超聲檢測儀器的核心電路,常用的高壓脈沖產生方法分為電容瞬間放電法和脈沖電源激勵法。2.1.1柵極控制器.圖2為簡化的傳感器激發(fā)電路,電路由N溝道絕緣柵場效應管Q、旁路電阻Rc、能量存儲電容C和開關二極管D1、D2組成,在絕緣柵場效應管Q的柵極輸入控制脈沖,當Q的柵極為低電位時,柵-源極電壓差為零,場效應管Q關斷,能量存儲電容C通過旁路電阻Rc和二極管D1充電,充電時間由時間常數決定,時間常數還決定了最大脈源極電壓為正電壓,場效應管Q導通,能量存儲電容C存儲的能量通過場效應管Q、二極管D2向傳感器TX放電,在傳感器TX中激發(fā)出超聲波。電阻Rd用于調節(jié)激發(fā)能量,改變激發(fā)的超聲波幅值大小。2.1.2點電位變質低時如圖3所示,電路由緩沖器U、二極管D、P溝道絕緣柵場效應管Q、電阻R和電容C組成。當給緩沖器U輸入控制脈沖,a點為高電平時,絕緣柵場效應管Q的柵極、源極都為高電平VH,P溝道絕緣柵場效應管Q截止,傳感器TX兩端僅有微弱的電流流過,不能激發(fā)超聲波;a點電位變?yōu)榈碗娖綍r,由于電容C兩端電壓不能突變,P溝道絕緣柵場效應管Q的柵極電位隨a點電位突然降低15V,使得柵極電位低于源極電位,柵-源電壓為負電壓,絕緣柵場效應管Q導通,電源電壓直接加到傳感器上,在傳感器TX中激發(fā)出超聲波之后電源通過電阻R給電容C充電,柵極電壓達到電源電壓VH,絕緣柵場效應管截止。當a點電位從低變高時,柵極電位瞬間高于電源電壓,之后電容通過電阻向電源VH放電,直到柵極電位達到電源電壓,在此期間絕緣柵場效應管一直保持截止。由于導通時,電源直接給傳感器TX加電,而傳感器TX的等效阻抗較小,電源近似短路,流過電源的瞬間電流很大,對電源的過載能力要求很高,且電源損耗較大、功率大;而電容瞬間放電激發(fā)電路對電源的要求低,具有明顯的優(yōu)勢。超聲脈沖收發(fā)電路采用電容瞬間放電產生高壓脈沖,電損耗小,采用80V、2W的高壓模塊供電。2.2中功率緣柵場效應管脈沖幅值的設計驅動功率絕緣柵場效應管相當于驅動帶容性負載的網絡。在高頻下工作時,絕緣柵場效應管電容的充、放電造成的損耗十分顯著,結電容越小,充、放電引起的損耗越小。一般的中功率絕緣柵場效應管會有nF級的柵電容,開關電壓為7～10V,最大上升時間為幾十ns.這樣在產生驅動絕緣柵場效應管的門脈沖時,會最高達幾A的門電流,這超出了TTL芯片的驅動能力。為提高脈沖幅值需增強絕緣柵場效應管的開關特性,需要合理的驅動電路。常用的柵極驅動電路有CMOS緩沖器并聯驅動、場效應管對管驅動和雙極性三極管功率驅動3種形式,第一種驅動形式相對簡單些。2.2.1n溝道場效應管如圖4所示,驅動電路由緩沖器U、電阻R2及1對小功率場效應對管Q1、Q2組成。當控制信號為低電平時,同向緩沖器U輸出低電平,使得與+9V電源相聯的P溝道場效應管Q2導通,與地相聯的N溝道場效應管Q3截止,絕緣柵場效應管Q1的柵極為高電平,N溝道絕緣柵場效應管Q1導通;當控制信號為高電平時,同向緩沖器U輸出高電平,使得與+9V電源相聯的P溝道場效應管Q2截止,與地相聯的N溝道場效應管Q3導通,絕緣柵場效應管Q1的柵極為低電平,絕緣柵場效應管Q1管截止。電阻R2是集電極開路同向緩沖器U的上拉電阻。2.2.2同向緩沖器上拉電阻2t如圖5所示,驅動電路由緩沖器U、電阻R2、R3及1對小功率開關三極管對管B1、B2組成。當控制信號為低電平時,同向緩沖器U輸出低電平,a點電位為低電位,雙極型三極管B1、B2對管的基極電位為低電位,流過NPN型三極管B1的基極電流近似為零,三極管B1截止,相當于集電極與發(fā)射極間串聯大電阻,而流過PNP型三極管B2的電流迅速達到飽和電流,三極管B2飽和導通,N溝道絕緣柵場效應管Q1的柵極近似接地,Q1管截止;當控制信號為高電平時,同向緩沖器U輸出高電平,a點電位為高電位,雙極型三極管B1、B2對管的基極電位為高電位,流過NPN型三極管B1的基極電流迅速達到飽和,三極管B1飽和導通,而流過PNP型三極管B2的基極電流近似為零,三極管B2截止,絕緣柵場效應管Q1的柵極電位幾乎等于+9V,場效應管Q1導通。電阻R2是集電極開路同向緩沖器U的上拉電阻,電阻R3的作用是與功率三極管基極相連,在基極回路中形成電流。這樣通過三極管對管和場效應對管驅動,可以提高帶容性負載的能力,具有較大的峰值電流,且可以提高開關速度。板卡中采用了三極管對管驅動方式。2.3占空比調性信號產生電路脈沖超聲激發(fā)電路的控制信號為可變占空比的脈沖方波信號,脈沖寬度為1μs左右,周期為1～5ms,使用74LS14斯密特觸發(fā)器外接電阻、電容、二極管構成占空比可調的振蕩電路產生控制信號(重復脈沖),電路如圖6所示。調整電阻R1的大小可調整脈沖寬度,調整電阻R2的大小可以調整脈沖的重復周期。3接收電路3.1發(fā)射換能器接收電路在脈沖超聲檢測中,多數情況下接收換能器與發(fā)射換能器是同一個換能器,發(fā)射和接收用同一信號線,高壓激發(fā)信號會加到接收電路,要采用串聯或并聯的限幅電路保護輸入放大電路。3.1.1金融管理系統s1測試如圖7所示,串聯輸入限幅電路由電源VCC、電阻R1、R2、R3、開關二極管D1、D2、電容C1、C2及運算放大器A組成,輸入端2接地。當1、2輸入端不接傳感器TX時,在電源VCC、電阻R1、R2、二極管D1組成的支路中,二極管D1完全導通,b點電位比a點電位高約0.7V,b點電位為Vb=(VCC?0.7)R2R1+R2Vb=(VCC-0.7)R2R1+R2(1)在電源VCC、電阻R1、R3、二極管D2組成的支路中,電阻R3=R2,使得二極管D2也完全導通,即b點電位比c點電位高約0.7V.由于存在電容C1、C2,a點的直流電位不能耦合到傳感器,c點的電位也不能耦合到運算放大器。當1、2輸入端接入傳感器后,激發(fā)時的瞬變脈沖通過電容C1耦合到a點,對于正電壓V+,當V+>Vb時,二極管D1完全截止,瞬變電壓不能通過二極管D1、D2,進而通過電容C2耦合輸入到運算放大器A;對于負電壓V-,當0.7+V-<0時,雖然二極管D1能完全導通,但二極管D2完全截止,傳感器中的瞬變電壓不能耦合輸入到運算放大器A中。當傳感器兩端的瞬變電壓在?0.7～(VCC?0.7)R2R1+R2V-0.7～(VCC-0.7)R2R1+R2V之間時,二極管D1、D2能完全導通或處于非線性工作區(qū),傳感器兩端的輸入電壓可通過耦合電容C1、C2和開關二極管D1、D2輸入到運算放大器A,實現保護運算放大器A的作用。3.1.2共接收點高壓信號的輸出如圖8所示,并聯輸入保護電路有2種形式。在圖8(a)中,傳感器激發(fā)時的瞬變高壓信號可通過電容C、電阻R耦合到a點,因二極管D1、D2的開關作用,把a點電位鉗位到±0.7V,使輸入到運算放大器A的高壓信號得到鉗位,對于微變小信號,經電容C、電阻R耦合到a點,因a點電位與b點電位間差值很小,開關二極管D1、D2截止,微信號直接輸入到運算放大器中,得到對運算放大器A的輸入限幅作用;在圖8(b)中,把并聯的二極管D1、D2換成串聯的穩(wěn)壓二極管DZ1、DZ2,可把激發(fā)時耦合到a點的高壓信號鉗位到±(VZ+0.7)V,其中VZ為穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓,對運算放大器A起到保護作用。串聯限幅電路及并聯限幅電路都是利用開關二極管或穩(wěn)壓二極管的開關特性及非線性工作區(qū)工作,都可以起到對運算放大器的輸入保護。并聯限幅電路相對簡單些,不需要額外的直流電源。研制中電路采用圖8(b)并聯的輸入保護電路的形式。3.2縮傳感器的設計放大電路的作用就是將接收換能器輸出的微小的電信號經過充分放大而得到足夠大的信號,以便驅動各種分析、控制和顯示電路。根據磁致伸縮傳感器的設計計算,激發(fā)接收電路的原始接收信號約為15mV,在電路中采用兩極放大電路,增益控制在20～40dB之間可調,可以得到1.5V左右的放大輸出信號。根據磁致伸縮傳感器激發(fā)出超聲波信號的頻率設計濾波電路,研究使用的磁致伸縮式傳感器,激發(fā)出的超聲波頻率在幾十kHz到幾百kHz,設計高通和低通濾波器的截止頻率分別為10kHz、500kHz,采用有源濾波的形式。4dc變換方式得到脈沖收發(fā)電路中需要多種電壓供電,可以采用交流—變壓—交流—直流的AC-DC變換方式得到,也可以采用直流—交流—變壓—交流—直流的DC-DC變換方式得到。為了便于與計算機配套使用,采用5V直流電壓供電,經兩個DC-DC電源變換模塊得到±12V和80V直流電壓,給電路板提供電源。5超聲激發(fā)/接收電路由所設計的超聲波激發(fā)/接收電路、數字示波器、磁致伸縮式傳感器、直流穩(wěn)壓電源構成的試驗系統如圖9所示,利用超聲波激發(fā)/接收電路對磁致伸縮式超聲傳感器加脈沖高壓,激發(fā)超聲脈沖,在磁致伸縮絲中傳播、反射后,傳感器經磁致伸縮逆效應將超聲脈沖轉換為電脈沖,再由接收電路調制