超聲換能器驅(qū)動電路及其回波接收電路設計分析

李享

摘 要：隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，超聲測距技術得到了廣泛運用。超聲換能器作為該技術的關鍵組成部件，可實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化，并決定了超聲測距系統(tǒng)能完成的最終指標。通過分析超聲換能器的工作原理，對其驅(qū)動電路和回波接收電路的設計進行了深入探討。

關鍵詞：超聲換能器；驅(qū)動電路；回波接收電路；超聲測距系統(tǒng)

中圖分類號：TB552 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.079

隨著科學技術的不斷進步，超聲測距系統(tǒng)在我國各行業(yè)得到了廣泛應用，比如在測井工程、機器人定位和車輛導航等方面得到了普遍運用。由于超聲測距系統(tǒng)可進行非接觸測量，且不受煙霧、光線和磁場等的影響，可準確、便捷地實現(xiàn)距離測量，因此，人們對該系統(tǒng)的重視程度越來越高。驅(qū)動電路和回波接收電路作為超聲換能器的核心部分，其性能對整個超聲測距工作有著至關重要的影響。因此，對驅(qū)動電路和回波接收電路的設計方法進行研究有著重要意義。

1 超聲換能器的測距原理

超聲測距系統(tǒng)充分運用了超聲波的特點，通過電能轉(zhuǎn)化的形式向外發(fā)送和接收超聲波，從而實現(xiàn)回聲探測。所謂“超聲波”，是指諧振頻率較高的聲波，科學上定義達到20 kHz或超過此范圍的聲波為超聲波。因其頻率較高，且以直線的形式傳播，所以，可利用這些特性實現(xiàn)超聲換能器的換能。

圖1 超聲測距原理示意圖

利用超聲換能器能將電能轉(zhuǎn)換為機械能。由于受到電脈沖的作用，超聲波會沿著介質(zhì)方向運動，當聲波遇到目標后，因自身的反射作用形成回波，回波返回至換能器，由換能器的接收部件接收并轉(zhuǎn)換成電能，如圖1所示。如果已知介質(zhì)聲速為c，由超聲波發(fā)出到接收第一個回波的時間為t，則換能器與目標之間的距離s=ct/2.為了節(jié)省成本，超聲換能器采用的超聲波探頭的實際距離d=s.

2 超聲換能器的驅(qū)動電路設計

2.1 超聲換能器驅(qū)動電路的原理

圖2 超聲換能器驅(qū)動電路

圖2為超聲換能器驅(qū)動電路原理示意圖，TR右側(cè)為超聲換能器的等效電路，左側(cè)為激勵信號的功率放大電路。高速光耦6N13為強弱電間的隔離器件，當微處理器發(fā)出方波信號時，激勵信號會經(jīng)光電耦合輸入，三極管Q1會將輸出信號放大。變壓器的單端激勵由驅(qū)動MOSFET管Q2構(gòu)成，通過變壓器與Q2的接成完成阻抗匹配和升壓工作；三極管Q3和限流電阻R6可起到保護電路的作用。

2.2 脈沖變壓器設計

超聲換能器的變壓器選擇是整個設計的難點。在變壓器的選擇方面，選擇了在轉(zhuǎn)換電能時能形成單極性脈沖的變壓器，這種特殊的變壓器又稱為脈沖變壓器。脈沖變壓器的設計非常困難，需要在理論基礎的支撐上開展測試，通過試驗調(diào)整完成設計。

2.2.1 變壓器工作頻率的確定

超聲換能器的工作頻率往往決定了變壓器的工作頻率。在脈沖變壓器的設計中，如果超聲換能器的工作頻率fr為30 kHz，則與之對應的脈沖變壓器工作周期T=33 μg。

2.2.2 變壓器最大導通時間的確定

最大導通時間的確定取決于脈沖變壓器的工作周期，計算公式為：

TONmax=T×Dmax. （1）

脈沖變壓器的占空比是電路設計時的重要參數(shù)之一，通常用D表示。如果超聲換能器為正向激勵的變換器，則D的選值一般為0.4～0.45. 由于其對輸出變壓器、變換器效率和主開關元件等有較大的影響，因此，一定要結(jié)合設計需要選擇D的值。結(jié)合上述計算公式可知，最大導通時間TONmax為15 μg。

2.3 變壓器變比的確定

變壓器的變比由N表示。當超聲換能器的額定功率Pout確定時，變壓器的功率負荷Pout/η也可確定。變壓器的變比計算公式為：

. （2）

式（2）中：VDC為電源的電壓；VDSS為場效應導通壓降，1； 為脈沖變壓器諧振電路的等效阻抗；η為變壓器的效率；

一般情況下， 和η為固定值。當確定最小輸入電壓后，根據(jù)式（2）可計算出變壓器的變比。

2.4 變壓器鐵芯的選擇

鐵芯可決定脈沖變壓器的質(zhì)量和體積指標，因此，選擇合適的鐵芯對脈沖變壓器設計至關重要。在脈沖變壓器的設計過程中，常采用軟磁合金、有電工鋼、非晶態(tài)合金和軟磁鐵氧體等多種材質(zhì)作為鐵芯。根據(jù)以往的經(jīng)驗，因軟磁鐵鐵氧體具有較高的工藝性和低廉的價格，受到很多使用者的青睞；鐵氧體鐵芯的電阻率較高，符合脈沖變壓器的設計要求。

鐵芯選擇公式為：

. （3）

式（3）中：S為磁芯的有效截面積；Q為鐵芯窗口的截面積；Bm為鐵芯工作的最大磁通密度；KT為鐵芯的填充系數(shù)，1；J為導線承受范圍內(nèi)的電流密度，3～5 A/mm2。

2.5 變壓器繞組匝數(shù)的計算

變壓器繞組匝數(shù)是指變壓器的初級和次級繞組匝數(shù)。由于變壓器初級繞組匝數(shù) 與最大工作磁通密度Bm有一定的聯(lián)系，所以，可以根據(jù)最大工作磁通密度計算 ，計算公式為：

. （4）

最大工作磁通密度Bm一般可根據(jù)B-H特性曲線看出，只要將已知量的數(shù)值代入式（4），即可計算出變壓器的初級繞組匝數(shù)。變壓器的次級繞組匝數(shù)可由變壓器的變比確定，即N2=N1×N.雖然無法確定各繞組導線的匝數(shù)，但各繞組導線的直徑可通過以下公式計算：

. （5）

式（5）中：Ii為流經(jīng)繞組導線的有效電流。

3 超聲換能器的回波接收電路設計

回波接收電路并不是獨立的整體。圖3為超聲換能器的回波接收電路設計原理圖，回波接收電路由三大部分組成，即自動電平控制ALC電路、帶通濾波器和前置放大電路。

圖3 超聲換能器的回波接收電路設計原理圖

3.1 前置放大電路設計

由于超聲換能器的輸出電阻很大，且需要較大的輸入阻抗，因此，在回波接收電路設計中應使用前置放大器。由圖3可看出，前置放大器位于超聲換能器回波接收電路的前端，往往由儀表放大器AD620構(gòu)成，具有較高的輸入阻抗。由于超聲換能器內(nèi)部具有收、發(fā)同體傳感器，會在收、發(fā)信號時產(chǎn)生干擾，進而影響超聲換能器工作的穩(wěn)定性，因此，設置前置放大器可保護后面的放大電路。具體，可在放大器輸入端接連一對反向二極管，從而通過二極管的箝位保護電路。

圖4為超聲換能器回波接收前置放大電路示意圖。為了抬高輸入端的電位，可在前端放置電阻R1和R2。由于電子元件在運行中會產(chǎn)生噪聲，因此，第一級前置放大電路的前向通道內(nèi)不可加入電容，但為了抑制電壓失調(diào)，電容C是必不可少的；為了實現(xiàn)阻抗，匹配加入了電阻R3。前置放大電路一般采用單電源的交流電，因此，輸入端需要抬升至電源的1/2電位。

圖4 超聲換能器回波接收前置放大電路

3.2 帶通濾波器設計

檢測超聲換能器的信號后發(fā)現(xiàn)，回波中夾雜著各種頻率的噪聲。帶通濾波器為過濾信號的主要部件，可抑制熱噪聲、50 Hz工頻信號和高頻干擾信號，并可提取波中有用的信號，以保證信號不失真。圖5為帶通濾波電路的設計原理，該帶通濾波器的噪聲極低，由RC阻容網(wǎng)絡和運算放大器構(gòu)成。如果品質(zhì)因數(shù)Q和諧振頻率f0為固定值，則選定電容C后便可計算出諧振

增益的數(shù)值，計算公式為：

. （6）

聯(lián)立上述方程可求出諧振增益的數(shù)值。

圖5 帶通濾波電路設計原理圖

3.3 自動電平控制ALC電路設計

自動電平控制主要控制回波信號的幅值。超聲波的回波信號會隨測距的變化而變化。為了更好地接收回波，需要通過增益控制來固定幅值的變化范圍。如圖6所示，自動電平控制ALC電路設計控制幅值范圍為A/D的轉(zhuǎn)化。ALC電路設計采用三極管作為控制元件，R1和R2用于三極管的接地部分，R6和R7組成了整個電路的分壓電路，通過將交流信號變?yōu)橹绷餍盘?，可使三極管形成回路。此外，VI決定了VB的變化，VI小則VB小，VI大則VB大。要想使三極管形成回路，則VI必須增大，進而導致VB增大、三極管的C內(nèi)阻和E內(nèi)阻變小。當VI變小時，VB隨之變小，三極管的電阻增大，進而導致三極管難以導通。由此可見，VI決定了C與E之間電阻的變化。因此，將VI控制在一定范圍內(nèi)，可實現(xiàn)自動電平控制。

圖6 自動電平控制電路設計

4 結(jié)束語

隨著科學技術的不斷發(fā)展，超聲測距系統(tǒng)在未來會得到更廣泛的應用，超聲換能器的設計也會更加科學、精細。本文對超聲換能器驅(qū)動電路和回波接收電路的設計十分嚴格，明顯提高了機械能與電能之間的轉(zhuǎn)換效率，各項參數(shù)指標經(jīng)過嚴格推導后得到了優(yōu)化，實現(xiàn)了更大范圍的超聲測距功能。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕