環(huán)鳴法聲速儀超聲波發(fā)射或接收電路設(shè)計

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隨著經(jīng)濟的快速發(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，而且這也是國家保護(hù)領(lǐng)海安全的要求。在應(yīng)用超聲波技術(shù)時，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)系到整個超聲波設(shè)備的運行情況，因此，研究超聲波發(fā)射和接收技術(shù)，設(shè)計出科學(xué)合理的發(fā)射和接收電路勢在必行。鑒于此，本文將在探討電路運行原理的基礎(chǔ)上，對電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，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，則對測時對精確度的要求越低，因此人們?yōu)榱私档蛯y時對精確度的要求，往往利用測量聲波在已經(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/接收電路的整個系統(tǒng)是由兩個部分組成的，即發(fā)射電路和接收電路。發(fā)射電路主要有以下幾個部分組成：場效應(yīng)管驅(qū)動電路、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。它運行的原理以及過程主要是CPLD產(chǎn)生控制信號，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，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就會產(chǎn)生下次信號，并且在整個過程中，接收電路還可以消除發(fā)射電路發(fā)射信號時產(chǎn)生的高壓窄帶脈沖信號。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，是因為這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，IMP803芯片屬于一種單電源驅(qū)動，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外圍器件的要求較少，只需要一個耐壓大于100V的快速恢復(fù)二極管、一個微小型電感和若干個電容和電阻，因此，整個電路的設(shè)計價格也比較低廉。

（二）控制信號與場效應(yīng)管驅(qū)動

一般來說，在海水中聲音傳播的速度大約在1400m/s~1600m/s這個范圍內(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算出聲速頻率在28kHz~32kHz。因此，為了實現(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。在這個系統(tǒng)當(dāng)中，產(chǎn)生控制信號的結(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，絕緣柵場效應(yīng)管電容充電以及放電會造成大量的損耗，因此一定要選擇合理的功率絕緣柵場效應(yīng)管驅(qū)動電路，將結(jié)電容控制在較小的范圍內(nèi)，這是因為結(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)射電路中的場效應(yīng)管驅(qū)動電路所采用的驅(qū)動為一塊UCC37324驅(qū)動芯片，它屬于一種高速驅(qū)動器，其內(nèi)部有兩個同向的放大器，這種驅(qū)動芯片性能良好，操作應(yīng)用都非常簡單便捷，不需要借助外圍電路，并且能夠很好的驅(qū)動功率絕緣柵場效應(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，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，從而影響測量的精確度。而尖脈沖波電路會影響換能器轉(zhuǎn)化電聲波的效率，并且隨著聲波傳播距離的增大，脈沖波會出現(xiàn)畸形，從而造成測量數(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，通過試驗和計算發(fā)現(xiàn)這個距離不會導(dǎo)致超聲波發(fā)射太大的畸變。同時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，使整個操作過程變得比較麻煩，而采用尖脈沖波電路則不需要對電路進(jìn)行調(diào)諧，因此，采用尖脈沖發(fā)射電路是一個比較好的選擇。

（四）匹配調(diào)諧電路

在設(shè)計超聲波發(fā)射電路時，為了提高超聲波設(shè)備運行的質(zhì)量和效率，一定要做好電路和換能器的匹配設(shè)計問題，這是因為換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)計整個電路時，我們將發(fā)射電路的換能器和接收電路的換能器設(shè)計成一個，發(fā)射波和回波是在一條直線上運行，并且將高壓窄帶脈沖波加到接收電路上，然而要實現(xiàn)整個設(shè)計，并保證整個系統(tǒng)的正常運行，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)計輸入保護(hù)電路時，采用了并聯(lián)限幅電路，整個電路由二極管組成，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通過電容耦合到a點。而對于微變小信號，仍然是經(jīng)電容耦合到a點，這時候二極管截止，微小信號就會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也會發(fā)射一些不需要的聲波，而這些不需要的雜波會對正常的測量活動造成不利的影響。因此為了提高測量的精確度，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)計時也要格外注意，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進(jìn)行放大，從而驅(qū)動各種分析和各種控制電路工作。通過對環(huán)鳴法聲速儀的設(shè)計計算可知，反射回波信號的原始信號，大約為5mV，經(jīng)過放大處理，可以將信號增益為10dB，從而保證整個電路的正常運行。

（三）檢波/比較電路

檢波/比較電路的主要作用就是將已經(jīng)放大的回波信號處理成可以利用的控制信號，然后將其輸送到發(fā)射電路的CPLD當(dāng)中，從而實現(xiàn)控制聲波的第二次發(fā)送，使整個系統(tǒng)持續(xù)的進(jìn)行測量工作。鑿設(shè)計檢波/比較電路時，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，這主要是因為二極管具有單向?qū)щ娦缘奶卣?。在整個系統(tǒng)運行中，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轉(zhuǎn)化成可以利用的脈沖信號，然后將這些可以利用的脈沖信號輸送到發(fā)射電路的CPLD當(dāng)中，進(jìn)而形成一個完整的循環(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)為絕緣柵場效應(yīng)管，可以獲得非常好的窄帶脈沖信號；而接收電路可以將接收到的反射回波信號進(jìn)行放大處理，從而變成可以使用的控制信號。因此，本次試驗設(shè)計的電路可以滿足實際測量工作的要求，并且整個電路設(shè)計還比較簡單、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