超声波发射和接收电路

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1、在本设计中，我们设计的发射和接收电路都是分别只有一个，通过继电器进行顺、逆流方向收发 电路的切换，这样做既降低了成本，又消除了非对称性电路误差，且发射脉冲通过使用单独的继电 器分别对发射和接收换能器进行控制，使换能器的发射和接收电路完全隔离，消除了发射信号对 接收的影响。4.2.1超声波发射电路接收信号的大小和好坏直接取决于发射传感器的发射信号由于使用收发共 用型超声换能器， 所以除了选用性能优良的超声波传感器外，发射电路和前级信 号接收电路至关重要，它决定着整 个系统的灵敏度和精度超声波测量最常用的换能器发射电路大体可分为三种类型：窄脉冲触发的宽带激励电路、调制 脉冲谐振电路和单脉冲发射电路

2、。从早先国内进口的日本超声波流量计来看，基本都采用的是窄 脉冲驱动电路.这种电路在设计上一般是用一个极快速的电子开关通过对储能元件的放电来实现， 这些开关器件通常为晶闸管或大功率场效应管MOSFET）.由于需要输出激励信号的瞬时功率大， 因此开关器件必须由直流高压供电，一般要达到几十到一百伏以上，这在电池供电的系统中无法实 现;此外，开关瞬间会产生高压脉冲，对整个电路的抗干扰设计不利。而脉冲谐振电路设计起来比 较简单，其基本方法是用振荡电路产生一个高频振荡，经过幅值和功率放大后接至换能器，使换能 器发出超声波，确保高频振荡的频率与换能器固有频率一致，则可获得超声发射的最佳效果。谐 振电路能够使

3、用较低的电压产生较强的超声波发射适合使用电池供电的系统，而且它能精确地控 制发射信号，效率高.在本设计中，超声发射电路采用了连续脉冲发射电路，它由脉冲发生、放大电路构成，具体电 路连接如图17所示。单片机发出的方波信号经三极管放大和变压器升压，达到足够功率后推动换 能器超声超声波，这里变压器的主要用途是升高脉冲电压和使振荡器的输出阻抗与负载（超声换 能器）阻抗匹配，变压器与探头接成单端激励方式。GND图17超声波发射电路4.3。2超声波接收电路发射换能器发出超声波信号后，信号经过流体传播到接收换能器，中间有杂质和气泡等影响， 强度不断减小，并且强度也不稳定。为了实现高精度的测量，在信号到达检测

4、电路前必须使信号 稳定可靠，根据接收信号的实际情况，我们对所设计的超声波接收电路主要由放大电路、滤波电 路、自动控制增益电路、电压比较电路等部分组成。1）放大电路通常超声波换能器接收到的超声波信号是非常小的只有几毫伏,而一般ADC需要采样的信号 的幅值为5V，所以必须对它进行放大。放大电路采用三级放大，第一级和第三级放大采用固定增 益放大，完成信号的基准放大，第二级采用具有程控增益调整功能的芯片AD603来实现，这样当第一 级和第三级确定后，可以通过调节AD603控制端的电压来调节整个放大电路的增益，使输出信号 达到要求的幅值。 高输入阻抗的前置放大电路该电路的主要作用是对超声波换能器的接收信

5、号进行阻抗匹配放大。超声波换能器的阻抗很大， 一般在106。以上，普通的放大器很难与之匹配，只有MOS结构的放大器才有那么高的输入阻抗。 所以，我们选择高输入阻抗运算放大器LF357,它采用JFET组成差分输入级，其输入阻抗高达012 Q。在设计中，LF357采用同相放大接法，这级的放大倍数是=1 +七项广11。其电路如图18所示：图18前置放大电路 自动增益放大电路由于超声波流量计测量管径的范围很犬几厘米几米），而且管壁情况和流体介质也有很大差异， 因此接收信号的幅值会有很大的不同几毫伏几百毫伏）如果仅采用普通的集成运算放大器，对 超声波接收信号采用幅度鉴别的方式则可能出现误判的现象.为使放

6、大后信号的幅值保持在同一 数量级，要选用自动增益放大电路来放大信号通常采用程控增益放大器来完成这一功服其工作 原理是将放大后接收信号的峰值采样保持下去，经A/D转换后去控制程控增益放大器的放大倍 数，使输出保持稳定。使用程控增益放大器的不足是所用的器件较多，电路设计也较为复杂，而 且其跳跃性的放大倍数可能会造成电路工作的不稳定。本文采用美国ADI公司的AD603压控VGA芯片作为自动增益放大器AD603是一个低噪、90MHz带宽 增益可调的集成运放如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关系，压摆率为275V/.S。管 脚间的连接方式决定了可编程的增益范围增益在-11+30dB时的带宽为90M

7、hz,增益在+9+41dB 时具有9MHz带宽，改变管脚间的连接电阻可使增益处在上述范围内.该集成电路可应用于射频 自动增益放大器、视频增益控制、A/D转换量程扩展和信号测量系统AD603的外部结构图如图19 所示：GPOS CGNIG 匚VTHP 匚CONH 匚1yposmrr/NEG图19 AD60引脚图管脚1：GPOS增益控制电压正相输入端（加正电压增大增益管脚2： GNEG增益控制电压反相输入端（加负电压增大增益管脚3:VINP运放输入端；管脚4:COMM运放接地端管脚5:FSBK反馈网络连接端；管脚6： VENG负供电电源端；管脚7:VOUT运放输出端；管脚8： VPOS正供电电源端

8、VLXPCOM L3L2out图22滤波电路如图22所示，由L、C组成并联谐振，将谐振频率设在.5MHz，由L1、C1以及L2、C2组成串联 谐振，整个形成T型网路，实现了带通滤波。3）接收范围门由于发射信号功率较大发射信号通过电路和声路都可以耦合到接收电路上，影响接收信号的 接收.所以可以采用范围门防止发射脉冲对接收信号的干扰在设计中，接收电路并不是在超声波 发射一开始就打开的，而是根据信号预期最早和最晚到达时间设置一个接收范围门。首先，根据 声路长度来估计一个脉冲最早和最晚可能到达的时刻在最早时间的0.6倍处打开接收电路，这样， 一方面可以防止发射超声波直接耦合到接收换能器中，另一方面可以

9、排除开关动作带来的干扰； 然后，通过设置软件延时在最晚到达时间的1.5倍处关闭接收电路。接收电路的开通和关闭可通过 单片机的I/O 口控制来实现。4）采样保持电路超声波接收信号经过放大和滤波后，进入采样保持电路。采样保持电路对接收到的超声波信号 的第一个峰值进行采样，并将它保存下来。这样，就可以利用A/D转换器将采样到的信号转化为 数字信号，供控制单元进行增益控制保证测量的准确性具体电路如图23所示:LOk图23采样/保持电路图经采样保持后的信号送到A/D转换器, A/D转换器选用TLC1543芯片，此芯片是CMOS、10位开关电容逐次逼近模数转换器，有11个模拟输入通道，内部固有的采样与保持

10、，在整个温度范围内有较小 的转换误差TLC1543有三个输入端和一个三态输出端即片选（CS）、输入/输出时钟（I/O CLOCK）、 地址输入（ADDRESS）和数据输出（DATA OUT），这样就和微处理器的串口有一个直接的 线接口，从 而可以实现与微处理器之间进行高速数据传输。经过A/D转换器得到的信号峰值电压数值通过串 口送到微处理器保存起来，作为下一次测量时的控制电压参数值。在每次进行测量之前，应该先根据上一次A/D转换器测得的电压值（第一次可以给出一个初始值） 来调节第二级放大器增益控制端的电压.这个控制电压是由D/A转换器和电压调整电路构成的。D/A转换器选用带有缓冲基准输入高阻抗

11、）的10位电压输出数模转换器（DAC） TLC5615,DAC具 有基准电压两倍的输出电压范围，且 DAC是电调变化的。器件使用简单，用单5V电源工作，功耗低， 具有上电复位功能以确保可重复启动。器件的更新频率可以达M 2MHZ,典型建立时间为12S口 s,并且在温度范围内保持单调性CPU根据上一次A/D转换器测得的电压值计算出本次测量时/A转 换器应该补偿的电压值，通过与TLC5615的串口将数据传送给D/A转换器，然后D/A转换器将其转换 为模拟电压输出。这个电压经过电阻分压后在运算放大器的同相端产生一个电压，再经过运算放 大器放大输出，这样就得到了 AD603增益控制端的电压，从而起到调节放大电路增益的目的，实现 信号放大的自动增益控制5）电压比较电路正确地确定超声波接收信号的到达时刻是整个电路中一个很关键的地方，它直接影响到超声波（完整word版）超声波发射和接收电路 传播时间的测量精度。在这里，我们采用了电压比较电路对接收到的信号进行有效性检验，利用设置一个有效信号检测门槛对信号的过零点、0.2V处进行检测。电路主要由高精度的过零比较器 MAX913和高速双路电压比较器MAX902组成。由过零比较器可得到过零点信号；由双路电压比较器 可得到过+0。