超聲波發(fā)射和接收電路

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1、超聲波發(fā)射和接收電路在本設(shè)計中，我們設(shè)計的發(fā)射和接收電路都是分別只有一個，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)射信號對接收的影響。4.2.1超聲波發(fā)射電路接收信號的大小和好壞直接取決于發(fā)射傳感器的發(fā)射信號,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)射電路和前級信號接收電路至關(guān)重要，它決定著整個系統(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

2、三種類型：窄脈沖觸發(fā)的寬帶激勵電路、調(diào)制脈沖諧振電路和單脈沖發(fā)射電路。從早先國內(nèi)進(jìn)口的日本超聲波流量計來看，基本都采用的是窄脈沖驅(qū)動電路。這種電路在設(shè)計上一般是用一個極快速的電子開關(guān)通過對儲能元件的放電來實現(xiàn)，這些開關(guān)器件通常為晶閘管或大功率場效應(yīng)管（MOSFET）。由于需要輸出激勵信號的瞬時功率大，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)中無法實現(xiàn)；此外，開關(guān)瞬間會產(chǎn)生高壓脈沖，對整個電路的抗干擾設(shè)計不利。而脈沖諧振電路設(shè)計起來比較簡單，其基本方法是用振蕩電路產(chǎn)生一個高頻振蕩，經(jīng)過幅值和功率放大

3、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，效率高。在本設(shè)計中，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)出的方波信號經(jīng)三極管放大和變壓器升壓，達(dá)到足夠功率后推動換能器超聲超聲波，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方式。圖17超聲波發(fā)射電路4.3.2超

4、聲波接收電路發(fā)射換能器發(fā)出超聲波信號后，信號經(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。為了實現(xiàn)高精度的測量，在信號到達(dá)檢測電路前必須使信號穩(wěn)定可靠，根據(jù)接收信號的實際情況，我們對所設(shè)計的超聲波接收電路主要由放大電路、濾波電路、自動控制增益電路、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是非常小的，只有幾毫伏，而一般ADC需要采樣的信號的幅值為5V，所以必須對它進(jìn)行放大。放大電路采用三級放大，第一級和第三級放大采用固定增益放大，完成信號的基準(zhǔn)放大，第二級采用具有程控增益

5、調(diào)整功能的芯片AD603來實現(xiàn)，這樣當(dāng)?shù)谝患壓偷谌壌_定后，可以通過調(diào)節(jié)AD603控制端的電壓來調(diào)節(jié)整個放大電路的增益，使輸出信號達(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超聲波換能器的接收信號進(jìn)行阻抗匹配放大。超聲波換能器的阻抗很大，一般在106Ω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，其輸入阻抗高達(dá)1012Ω。在設(shè)計中，LF357采用同相放大接法，這級的放大倍數(shù)是。其電路如圖18所示：圖18前置放大

6、電路②　自動增益放大電路由于超聲波流量計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，因此接收信號的幅值會有很大的不同（幾毫伏～幾百毫伏）如果僅采用普通的集成運(yùn)算放大器，對超聲波接收信號采用幅度鑒別的方式則可能出現(xiàn)誤判的現(xiàn)象。為使放大后信號的幅值保持在同一數(shù)量級，要選用自動增益放大電路來放大信號。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)計也較為復(fù)雜，而且其

7、跳躍性的放大倍數(shù)可能會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芯片作為自動增益放大器。AD603是一個低噪、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/μs。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時的帶寬為90Mhz，增益在+9～+41dB時具有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)用于射頻自動增益放大器、視頻增益控制、A/D轉(zhuǎn)換量程擴(kuò)展和信號測量系統(tǒng)。AD603的外部結(jié)構(gòu)圖如圖19所示：圖19

8、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