環(huán)鳴法聲速儀超聲波發(fā)射或接收電路設(shè)計(jì)

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隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也在不斷的進(jìn)步，超聲波技術(shù)被廣泛的運(yùn)用在了海洋資源勘察工作中，并且在軍事方面也進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用。因此，研究超聲波技術(shù)至關(guān)重要，不僅有利于海洋資源的開發(fā)和利用，而且這也是國(guó)家保護(hù)領(lǐng)海安全的要求。在應(yīng)用超聲波技術(shù)時(shí)，其中最為關(guān)鍵的技術(shù)就是超聲波發(fā)射和接收技術(shù)，直接關(guān)系到整個(gè)超聲波設(shè)備的運(yùn)行情況，因此，研究超聲波發(fā)射和接收技術(shù)，設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的發(fā)射和接收電路勢(shì)在必行。鑒于此，本文將在探討電路運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上，對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，希望可以提高超聲波技術(shù)的水平。取得良好的超聲波。

一、環(huán)鳴法聲速儀超聲波發(fā)射/接收電路的基本結(jié)構(gòu)概況

（一）環(huán)鳴法的定義

所謂的環(huán)鳴法就是指當(dāng)測(cè)量聲速的精確度在已經(jīng)確定的前提下，已經(jīng)知道的距離越大，則對(duì)測(cè)時(shí)對(duì)精確度的要求越低，因此人們?yōu)榱私档蛯?duì)測(cè)時(shí)對(duì)精確度的要求，往往利用測(cè)量聲波在已經(jīng)知道的距離內(nèi)往返多次的方法，使其不斷的循環(huán)下去，這種方法就是我們所說的環(huán)鳴法，也可以稱為脈沖循環(huán)法。

（二）超聲波發(fā)射/接收電路的基本結(jié)構(gòu)概況

顯而易見，超聲波發(fā)射/接收電路的整個(gè)系統(tǒng)是由兩個(gè)部分組成的，即發(fā)射電路和接收電路。發(fā)射電路主要有以下幾個(gè)部分組成：場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路、高壓直流電路、電容器放電電路、匹配網(wǎng)路電路以及電源電路。它運(yùn)行的原理以及過程主要是CPLD產(chǎn)生控制信號(hào)，并在換能器的兩端施加高壓窄帶脈沖，然后換能器經(jīng)過逆電壓效應(yīng)可以在海水中發(fā)出超聲波。而組成接收電路的主要部分包括輸入保護(hù)電路/諧振電路、放大電路、檢波/比較電路和電源電路。接收電路的主要功能是接收返回的微弱信號(hào)，并將其進(jìn)行放大處理，然后再通過其它的電路將處理好的脈沖輸送到發(fā)射電路的CPLD中，這樣一來，CPLD就會(huì)產(chǎn)生下次信號(hào)，并且在整個(gè)過程中，接收電路還可以消除發(fā)射電路發(fā)射信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的高壓窄帶脈沖信號(hào)。超聲波發(fā)射/接收電路基本的結(jié)構(gòu)以及工作的流程如圖1所示。

二、超聲波發(fā)射電路

（一）高壓直流電路

本文的研究所采用的芯片為IMP803，輸入電壓是5V直流電壓，5V直流電壓可以產(chǎn)生并輸出100V左右的直流高電壓。在超聲波發(fā)射電路采用IMP803芯片，是因?yàn)檫@種芯片具有很大的優(yōu)越性，它產(chǎn)生的直流電壓更加穩(wěn)定、可靠，并且非常耐用。同時(shí)，IMP803芯片屬于一種單電源驅(qū)動(dòng)，受到的電磁干擾較小，比較容易控制。另外，利用IMP803芯片產(chǎn)生直流高電壓電路對(duì)外圍器件的要求較少，只需要一個(gè)耐壓大于100V的快速恢復(fù)二極管、一個(gè)微小型電感和若干個(gè)電容和電阻，因此，整個(gè)電路的設(shè)計(jì)價(jià)格也比較低廉。

（二）控制信號(hào)與場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)

一般來說，在海水中聲音傳播的速度大約在1400m/s~1600m/s這個(gè)范圍內(nèi)，電路中換能器和反射擋板的距離是2.5cm，也就是說聲波在換能器和反射擋板之間來回一次的距離為5cm，根據(jù)海水中聲速頻率的公式：聲速頻率=聲速/聲波來回一次的距離可以計(jì)算出聲速頻率在28kHz~32kHz。因此，為了實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)射控制的功能，我們需要將首次觸發(fā)換能器的控制信號(hào)定位27kHz，這樣一來，可以使聲波環(huán)鳴后的頻率快速的返回到28kHz~32kHz。在這個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，產(chǎn)生控制信號(hào)的結(jié)構(gòu)是發(fā)射電路的CPLD，其產(chǎn)生的脈沖寬度大約為100ns。在高頻工作的電路中，整個(gè)系統(tǒng)的性能受電子開關(guān)的電器特性的影響較大。在電路系統(tǒng)工作中，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管電容充電以及放電會(huì)造成大量的損耗，因此一定要選擇合理的功率絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路，將結(jié)電容控制在較小的范圍內(nèi)，這是因?yàn)榻Y(jié)電容越小，充放電所引起的損耗也就越小。本次研究的環(huán)鳴法聲速儀發(fā)射電路中的場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路所采用的驅(qū)動(dòng)為一塊UCC37324驅(qū)動(dòng)芯片，它屬于一種高速驅(qū)動(dòng)器，其內(nèi)部有兩個(gè)同向的放大器，這種驅(qū)動(dòng)芯片性能良好，操作應(yīng)用都非常簡(jiǎn)單便捷，不需要借助外圍電路，并且能夠很好的驅(qū)動(dòng)功率絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。

（三）高壓窄帶脈沖產(chǎn)生電路

雖然超聲波換能器可以采用連續(xù)波和尖脈沖波進(jìn)行激勵(lì)，但是這兩種電路利弊共存，具體選擇哪一種，下面我們具體的進(jìn)行分析。連續(xù)波發(fā)射電路在工作中很容易形成駐波，造成干擾，從而影響測(cè)量的精確度。而尖脈沖波電路會(huì)影響換能器轉(zhuǎn)化電聲波的效率，并且隨著聲波傳播距離的增大，脈沖波會(huì)出現(xiàn)畸形，從而造成測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的情況。我們研究的環(huán)鳴聲速儀的換能器所固有的頻率為5MHz，所以換能器和反射擋板之間的距離不能太遠(yuǎn)，否則將會(huì)導(dǎo)致超聲波在遠(yuǎn)距離傳輸中造成大量損失。已知換能器和反射擋板之間的距離為2.5cm，通過試驗(yàn)和計(jì)算發(fā)現(xiàn)這個(gè)距離不會(huì)導(dǎo)致超聲波發(fā)射太大的畸變。同時(shí)再考慮電路處理的有關(guān)問題，發(fā)現(xiàn)采用連續(xù)波發(fā)射電路，為了提高換能器轉(zhuǎn)換電波的效率必須要調(diào)諧電路，這樣一來，使整個(gè)操作過程變得比較麻煩，而采用尖脈沖波電路則不需要對(duì)電路進(jìn)行調(diào)諧，因此，采用尖脈沖發(fā)射電路是一個(gè)比較好的選擇。

（四）匹配調(diào)諧電路

在設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射電路時(shí)，為了提高超聲波設(shè)備運(yùn)行的質(zhì)量和效率，一定要做好電路和換能器的匹配設(shè)計(jì)問題，這是因?yàn)閾Q能器匹配電路可以使電路在換能器固有的諧振頻率中工作，從而提高換能器轉(zhuǎn)化聲波的效率。

三、接收電路

（一）輸入保護(hù)/諧振電路

1輸入保護(hù)在設(shè)計(jì)整個(gè)電路時(shí)，我們將發(fā)射電路的換能器和接收電路的換能器設(shè)計(jì)成一個(gè)，發(fā)射波和回波是在一條直線上運(yùn)行，并且將高壓窄帶脈沖波加到接收電路上，然而要實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)，并保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，防止接收電路中的器件被高壓窄帶脈沖波損毀，必須要設(shè)計(jì)足夠科學(xué)合理的輸入保護(hù)電路來保護(hù)接收電路的安全。本文在設(shè)計(jì)輸入保護(hù)電路時(shí)，采用了并聯(lián)限幅電路，整個(gè)電路由二極管組成，發(fā)揮電路開關(guān)的作用。并且如圖2所示，我們將高壓窄帶脈沖信號(hào)通過電容耦合到a點(diǎn)。而對(duì)于微變小信號(hào)，仍然是經(jīng)電容耦合到a點(diǎn)，這時(shí)候二極管截止，微小信號(hào)就會(huì)直接輸入到諧振電路當(dāng)中。

2諧振電路諧振電路的主要作用就是將環(huán)鳴法聲速儀換能器發(fā)射的不需要的雜波和諧波等清除掉，從而選擇出需要的超聲波。利用環(huán)鳴法聲速儀，其換能器在發(fā)射固定頻率的超聲波的同時(shí)也會(huì)發(fā)射一些不需要的聲波，而這些不需要的雜波會(huì)對(duì)正常的測(cè)量活動(dòng)造成不利的影響。因此為了提高測(cè)量的精確度，需要諧振電路在所有的超聲波中選擇出需要的超聲波。諧振電路具有重要的作用，在設(shè)計(jì)時(shí)也要格外注意，本文采用的諧振電路為GCL并聯(lián)諧振電路，如圖2所示。

（二）放大電路

顧名思義，放大電路的作用就是將發(fā)射電路發(fā)射的微弱反射回波信號(hào)進(jìn)行放大，從而驅(qū)動(dòng)各種分析和各種控制電路工作。通過對(duì)環(huán)鳴法聲速儀的設(shè)計(jì)計(jì)算可知，反射回波信號(hào)的原始信號(hào)，大約為5mV，經(jīng)過放大處理，可以將信號(hào)增益為10dB，從而保證整個(gè)電路的正常運(yùn)行。

（三）檢波/比較電路

檢波/比較電路的主要作用就是將已經(jīng)放大的回波信號(hào)處理成可以利用的控制信號(hào)，然后將其輸送到發(fā)射電路的CPLD當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)控制聲波的第二次發(fā)送，使整個(gè)系統(tǒng)持續(xù)的進(jìn)行測(cè)量工作。鑿設(shè)計(jì)檢波/比較電路時(shí)，我們主要利用二極管和比較管，二極管的主要作用就是提取反射回波中的低頻信號(hào)，這主要是因?yàn)槎O管具有單向?qū)щ娦缘奶卣鳌Ｔ谡麄€(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中，比較電路的發(fā)揮的主要作用就是將二極管提取的低頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成可以利用的脈沖信號(hào)，然后將這些可以利用的脈沖信號(hào)輸送到發(fā)射電路的CPLD當(dāng)中，進(jìn)而形成一個(gè)完整的循環(huán)系統(tǒng)。

結(jié)語

本文研究表明，環(huán)鳴法聲速儀發(fā)射電路和接收電路利用IMP803芯片產(chǎn)生直流電壓，以5V直流電壓為低壓電源供電，從而可以產(chǎn)生100V左右的直流高壓；電路系統(tǒng)的開關(guān)為絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管，可以獲得非常好的窄帶脈沖信號(hào)；而接收電路可以將接收到的反射回波信號(hào)進(jìn)行放大處理，從而變成可以使用的控制信號(hào)。因此，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)的電路可以滿足實(shí)際測(cè)量工作的要求，并且整個(gè)電路設(shè)計(jì)還比較簡(jiǎn)單、安全，值得推廣應(yīng)用。

作者：李享 單位：佛山市順德區(qū)美的廚房電器制造有限公司