超声换能器的采样电路的制作方法

本实用新型属于电压电流信号采样技术领域，具体涉及超声换能器的采样电路。

背景技术：

超声换能器是一种将电磁能转化为机械能(声能)的装置，通常由压电陶瓷或其它磁致伸缩材料制成，常见的超声波清洗器、超声雾化器、B超探头等都是超声换能器的应用实例。超声换能器即是谐振于超声频率的压电陶瓷，由材料的压电效应将电信号转换为机械振动。医用超声换能器(超声探头)的工作原理大体是相同的，其内部通常都包含一个电的储能元件和一个机械振动系统。当换能器用作发射器时，从激励电源送来的电振荡信号将引起换能器中电储能元件中电场或磁场的变化，这种变化通过某种效应对换能器的机械振动系统产生一个推动力，使其进入振动状态，从而推动与换能器机械振动系统相接触的介质发生振动，向介质中辐射声波。接收声波的过程正好与此相反，外来声波作用在换能器的振动面上，从而使换能器的机械振动系统发生振动，借助某种物理效应，引起换能器储能元件中的电场或磁场发生相应的变化，从而引起换能器的电输出端产生一个相应于声信号的电压和电流。

然而现如今超声换能器由于振动状态不可调，输出能量不能达到最大，振幅不强，因此效果不好。亟待一种能够采集超声换能器的驱动电压和电流的采样电路，进而为后级的谐振调节提供条件。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的上述问题，本实用新型目的在于提供超声换能器的采样电路。

本实用新型所采用的技术方案为：

超声换能器的采样电路，包括用于采集超声换能器驱动电压的电压采样单元和用于采集超声换能器驱动电流的电流采样单元；

所述超声换能器的驱动输出回路设有多个采样电阻，电压采样单元包括对采集的电压信号依次进行滤波、放大和输出的第一滤波单元、第一放大单元和第一比较单元，电压采样单元的电压采样端连接在多个采样电阻之间的节点采集电压信号，然后发送至电压采样单元进行滤波、放大和输出；

所述电流采样单元包括对采集的电流信号依次进行滤波、放大和输出的第二滤波单元、第二放大单元和第二比较单元，电流采样单元的电流采样端串联在超声换能器的驱动输出回路采集电流信号，然后发送至电流采样单元进行滤波、放大和输出。

在上述技术方案的基础上，所述第一放大单元包括：同相输入端通过电容C67连接第一滤波单元的输出端的第一运放U7B，第一运放U7B的反相输入端与输出端之间连接负反馈电阻R63，第一运放U7B的同相输入端连接有第一直流分压单元，第一运放U7B的输出端连接第一比较单元，第一运放U7B的反相输入端与地之间串联有电阻R64和电容C70。

在上述技术方案的基础上，所述第一直流分压单元包括分压电阻R56、R58和R57，以及直流电压，电阻R56和R58串联于直流电压与第一运放U7B的同相输入端之间，电阻R57连接于电阻R56和R58之间的节点与地之间。

在上述技术方案的基础上，所述第一比较单元包括：同相输入端通过电阻R72连接第一放大单元的输出端的第一比较器U8A，第一比较器U8A的反相输入端连接有第二直流分压单元，第一比较器U8A的正极电压端连接直流电压，第一比较器U8A的输出端通过电阻R71输出电压信号；

所述电阻R72连接第一比较器U8A的同相输入端的另一端还通过电阻R70输出比较信号。

在上述技术方案的基础上，所述第二直流分压单元包括：串联于直流电压与地之间的分压电阻R77和R76，第一比较器U8A的反相输入端连接于电阻R77和R76之间的节点。

在上述技术方案的基础上，所述第二放大单元包括：同相输入端通过电容C75连接第二滤波单元的输出端的第二运放U7A，第二运放U7A的反相输入端与输出端之间连接负反馈电阻R73，第二运放U7A的同相输入端连接有第三直流分压单元，第二运放U7A的输出端连接第二比较单元，第二运放U7A的反相输入端与地之间串联有电阻R74和电容C78。

在上述技术方案的基础上，所述第三直流分压单元包括分压电阻R78、R66、R68和R67，以及直流电压，电阻R78、R66和R68串联于直流电压与第二运放U7A的同相输入端之间，电阻R67连接于电阻R66和R68之间的节点与地之间，第二运放U7A的正极电压端通过电阻R78连接直流电压。

在上述技术方案的基础上，所述第二比较单元包括：同相输入端通过电阻R81连接第二放大单元的输出端的第二比较器U8B，第二比较器U8B的反相输入端连接有第四直流分压单元，第二比较器U8B的输出端通过电阻R80输出电流信号；

所述电阻R81连接第二比较器U8B的同相输入端的另一端还通过电阻R79输出比较信号。

在上述技术方案的基础上，所述第四直流分压单元包括：串联于直流电压与地之间的分压电阻R82和R83，第二比较器U8B的反相输入端连接于电阻R82和R83之间的节点。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型解决了现有超声换能器由于振动状态不可调，输出能量不能达到最大，振幅不强，因此效果不好的问题。本实用新型设有用于采集超声换能器驱动电压的电压采样单元和用于采集超声换能器驱动电流的电流采样单元，并做滤波、放大和输出，进而为后级的谐振调节提供条件。

附图说明

图1是本实用新型-实施例采样电路的电路原理图。

图2是本实用新型-实施例驱动输出回路的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步阐述。

实施例：

如图1-2所示，本实施例的超声换能器的采样电路，包括用于采集超声换能器驱动电压的电压采样单元和用于采集超声换能器驱动电流的电流采样单元；

超声换能器的驱动输出回路设有多个采样电阻，电压采样单元包括对采集的电压信号依次进行滤波、放大和输出的第一滤波单元、第一放大单元和第一比较单元，电压采样单元的电压采样端连接在多个采样电阻之间的节点采集电压信号，然后发送至电压采样单元进行滤波、放大和输出；

电流采样单元包括对采集的电流信号依次进行滤波、放大和输出的第二滤波单元、第二放大单元和第二比较单元，电流采样单元的电流采样端串联在超声换能器的驱动输出回路采集电流信号，然后发送至电流采样单元进行滤波、放大和输出。

驱动输出回路设有串联的采样电阻R1、R2、R3、R4和R15，电压采样单元的电压采样端连接在电阻R4和R15之间节点，并将采集的电压信号发送至电压采样单元进行滤波、放大和输出，然后发送至主控单元做谐振调节。

详细阐述电压采样单元的电路原理：采集的电压信号依次通过RC滤波进行滤波、电容C67进行隔直后输入到第一运放U7B的同相输入端，第一运放U7B的反相输入端与输出端之间连接负反馈电阻R63，第一运放U7B的输出端通过RC滤波进行滤波后，然后通过电阻R72输入到第一比较器U8A的同相输入端，串联于3.3V电压与地之间的分压电阻R77和R76进行电压采样输入到第一比较器U8A的反相输入端，第一比较器U8A的输出端通过电阻R71连接主控单元，电阻R72连接第一比较器U8A的同相输入端的另一端还通过电阻R70连接主控单元，其中，电阻R61和电容C65组成RC滤波对采集的电压信号进行滤波，电阻R62和电容C66组成RC滤波对第一运放U7B的输出端输出的信号进行滤波，第一运放U7B的反相输入端还串联有电阻R64和电容C70，第一运放U7B的同相输入端还连接有直流3.3V电压，该直流3.3V电压通过分压电阻R56、R58和R57分压后产生分压输入到第一运放U7B的同相输入端，分压还通过电容C64滤波，其中，电阻R58的一端连接第一运放U7B的同相输入端且另一端连接电阻R56，电阻R56连接3.3V电压，电阻R57的一端连接电阻R56和R58之间的节点且另一端接地，第一比较器U8A的正极电压端连接3.3V电压，该3.3V电压通过并联的电容C76和C77滤波。

电流采样单元的电流采样端串联在驱动输出回路，并将采集的电流信号发送至电流采样单元进行滤波、放大和输出，然后发送至主控单元做谐振调节。

详细阐述电流采样单元的电路原理：采集的电流信号依次通过RC滤波进行滤波、电容C75进行隔直后输入到第二运放U7A的同相输入端，第二运放U7A的反相输入端与输出端之间连接负反馈电阻R73，第二运放U7A的输出端通过RC滤波进行滤波后，然后通过电阻R81输入到第二比较器U8B的同相输入端，串联于3.3V电压与地之间的分压电阻R82和R83进行电压采样输入到第二比较器U8B的反相输入端，第二比较器U8B的输出端通过电阻R80连接主控单元，电阻R81连接第二比较器U8B的同相输入端的另一端还通过电阻R79连接主控单元，其中，电阻R65和电容C68组成RC滤波对采集的电流信号进行滤波，电阻R69和电容C69组成RC滤波对第二运放U7A的输出端输出的信号进行滤波，第二运放U7A的反相输入端还串联有电阻R74和电容C78，第二运放U7A的同相输入端还连接有直流3.3V电压，该直流3.3V电压通过分压电阻R78、R66、R67和R68分压后产生分压输入到第二运放U7A的同相输入端，分压通过电容C71滤波，其中，电阻R68的一端连接第二运放U7A的同相输入端且另一端连接串联于3.3V电压端的电阻R78和R66，电阻R67的一端连接电阻R66和R68之间的节点且另一端接地，第二比较器U8B的正极电压端通过电阻R78连接3.3V电压，该3.3V电压通过并联的电容C73和C74滤波。

本实施例介绍一种驱动输出回路的结构，驱动输出回路包括驱动单元、变压单元和谐振单元。

本实施例的超声换能器的采样电路还包括：主控单元，输出两路占空比互补的第二PWM信号至驱动单元，使谐振超声频率为20-200KHz可调，调节谐振点到超声振子的共振点，使得超声振子工作在谐振状态，输出能量最大、振幅最强。

驱动单元包括第一驱动单元和第二驱动单元，其中，第一驱动单元包括第一驱动MOS管Q6，第二驱动单元包括第二驱动MOS管Q2。第一驱动单元的第二PWM信号接收端N接收主控单元发送的第一路第二PWM信号，第一驱动单元的输出端连接变压单元的原边线圈的同名端，第二驱动单元的第二PWM信号接收端P接收主控单元发送的第二路第二PWM信号，第二驱动单元的输出端连接变压单元的原边线圈的异名端，通过第二PWM信号接收端N接收的第一路第二PWM信号控制第一驱动MOS管Q6导通/截止，通过第二PWM信号接收端P接收的第二路第二PWM信号控制第二驱动MOS管Q2截止/导通。

详细阐述驱动单元和变压单元的电路原理：变压单元为推挽变压器，电源连接推挽变压器的原边第一线圈的异名端和第二线圈的同名端，电阻R10和R14串联于地与第二PWM信号接收端N之间，第一驱动MOS管Q6的栅极连接电阻R10和R14之间的节点，源极接地，漏极为第一驱动单元的输出端并连接推挽变压器的原边第一线圈的同名端；电阻R5和R13串联于地与第二PWM信号接收端P之间，第二驱动MOS管Q2的栅极连接电阻R5和R13之间的节点，源极接地，漏极为第二驱动单元的输出端并连接推挽变压器的原边第二线圈的异名端。

当第二PWM信号接收端N接收的第一路第二PWM信号为H且第二PWM信号接收端P接收的第二路第二PWM信号为L时，控制第一驱动MOS管Q6导通，第二驱动MOS管Q2截止，原边第一线圈的输入端回路接通并且输入电流方向为原边第一线圈的异名端至同名端，原边第二线圈的输入端回路截止，副边线圈的输出端回路的输出电流方向为副边线圈的同名端至异名端。

当第二PWM信号接收端N接收的第一路第二PWM信号为L且第二PWM信号接收端P接收的第二路第二PWM信号为H时，控制第一驱动MOS管Q6截止，第二驱动MOS管Q2导通，原边第二线圈的输入端回路接通并且输入电流方向为原边第二线圈的同名端至异名端，原边第一线圈的输入端回路截止，副边线圈的输出端回路的输出电流方向为副边线圈的异名端至同名端，将输入的直流电压转换成频率30KHz、电压上百伏特的交流波形，为后级谐振单元提供条件。

谐振单元设于推挽变压器的输出端回路中，谐振单元为LC串联谐振，包括串联于推挽变压器的输出端回路中的电感T1和电容C1。电感T1采用EFD20。

超声换能器设于推挽变压器的输出端回路中，本实施例中，通过接口J2连接超声换能器。

采样电阻R1、R2、R3、R4和R15串联于推挽变压器的输出端回路中。

主控单元，输出两路占空比互补的第二PWM信号至驱动单元的第一驱动MOS管Q6和第二驱动MOS管Q2。

本实施例介绍一种主控单元的结构。

主控单元包括主控芯片U2和主控芯片外围电路，其中，主控芯片U2的型号为N32905U1DN，采用ARM9内核，主频200MHz，主控芯片外围电路包括系统时钟、复位等。

N32905U1DNN3290x基于ARM926EJ-S CPU内核，集成了JPEG编解码器，CMOS传感器接口，32通道SPU(声音处理单元)，ADC，DAC，可满足各种应用需求，同时节省BOM成本。ARM926@200MHz，同步DRAM，2D BitBLT加速器，CMOS图像传感器接口，LCD面板接口。N32905U1DNN3290x最大分辨率为XVGA(1,024x768)@TFT LCD面板。2D BitBLT加速器加速图形计算，使渲染平滑，卸载CPU，以节省功耗。

为了满足整体系统BOM成本的不同要求，不同尺寸的DRAM与N3290x主SoC堆叠成一个封装，即多芯片封装(MCP)。N32905U1DNN3290x特别采用1Mbitx163.3V SDRAM设计。N32905U1DNN3290x特别采用4Mbitx16 1.8V DDR SDRAM设计。一个16Mbitx16 1.8V DDR2 SDRAM堆叠在N32905U1DNN3290x内部，以确保更高的性能并最大限度地减少系统设计工作，如EMI和噪声耦合。通过采用双层PCB以及消除阻尼电阻，EMI防护组件等，可以降低总BOM成本。

以上技术方案已经充分公开并可实施，本实用新型解决了现有超声换能器由于振动状态不可调，输出能量不能达到最大，振幅不强，因此效果不好的问题。本实用新型设有用于采集超声换能器驱动电压的电压采样单元和用于采集超声换能器驱动电流的电流采样单元，并做滤波、放大和输出，进而为后级的谐振调节提供条件。

本实用新型不局限于上述可选实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本实用新型权利要求界定范围内的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。