一种超声换能器驱动与回波检测电路的制作方法

本发明涉及一种超声换能器驱动与回波检测电路。

背景技术：

超声测距是一种非接触的测量方式，和红外、激光及无线电测距相比，在近距离范围内，超声测距结构简单、成本较低，且有不易受光线、烟雾、电磁影响的特点，因此超声测距在车辆导航、测井工程、料位测量、机器人定位等领域得到广泛应用。

超声测距系统中的核心部件是超声传感器，也即超声换能器，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的装置，其工作机理是依据压电材料的正逆压电效应，利用逆压电效应产生超声波，即在压电材料上加上某种特定频率的交变正弦信号，材料就会产生随所加信号频率变化的机械形变，继而在周围介质中产生疏密相间的机械波，如果其振动频率在超声范围，这种机械波就是超声波。接收时，利用正压电效应把来自探测物的声信号变成电信号输出。超声换能器是超声测试系统中产生并接收超声的部件，其驱动电路和回波检测电路的性能对整个测试系统有着至关重要的作用。

技术实现要素：

本发明设计了一种超声换能驱动与回波检测电路，使大范围的超声测距成为可能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

超声换能驱动与回波检测电路包括换能驱动电路和超声回波信号的调理电路。

所述换能驱动电路由功率放大器、脉冲变压器及一定的补偿电路组成。采用采用振荡放大型驱动电源。变压器TR的左侧为激励信号的功率放大电路。微处理器发出的方波信号经光电耦合输入。选用高速光耦6N135作为强弱电间的隔离器件。6N135的输出信号经三极管Q₁射极跟随器放大后，驱动MOSFET管Q₂。Q₂和变压器TR接成单端激励方式，由变压器完成升压和阻抗匹配工作。由于变压器初级直流电阻很小，所以当MOSFET导通时流过的电流将很大，因此，电路中设置了由限流电阻R₆和三极管Q₃构成的限流保护电路。

所述TR变压器用于升高脉冲电压和使振荡器的输出阻抗与负载阻抗匹配，是超声频电源的关键器件。其工作频率f_r选为40kHz，最大导通时间T_ONmax10.5us，变比N为27，变压器次级的最小输出电压就可以达到：V_DC * N=324V。初级绕组匝数N₁为15匝，次级匝数N₂为405匝。

所述超声回波信号的调理电路包括前置放大电路、带通滤波器、自动增益控制电路。所述前置放大电路是由高输入阻抗的精密仪表放大器AD620构成的。因为施加在换能器的峰值电压较大，故在放大器的输入端并联一对反向箝位二极管，以保护后面的放大电路。电源电压取为12~15V。所述带通滤波器由运算放大器OP177和RC阻容网络构成，其输出与输入同相。

所述自动增益控制电路采用三极管作控制元件。

本发明的有益效果是：超声换能驱动与回波检测电路使大范围的超声测距成为可能，新型的功率MOSFET，有着开关速度快、导通电阻低、控制灵活方便的优点，使得激励信号得到充分的放大，再加上有较好的电气隔离和保护措施，使整个功率放大电路效率高、抗干扰能力强，达到了预期的设计效果。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是振荡—方大型驱动电源。

图2是超声换能器驱动电路。

图3是回波接受电路。

图4是带通滤波器原理图。

图5是自动电平控制电路。

具体实施方式

在图1中，所述换能驱动电路采用采用振荡放大型驱动电源。包括振荡器、放大器、匹配网络。

在图2中，变压器TR的左侧为激励信号的功率放大电路。微处理器发出的方波信号经光电耦合输入。选用高速光耦6N135作为强弱电间的隔离器件。6N135的输出信号经三极管Q₁射极跟随器放大后，驱动MOSFET管Q₂。Q₂和变压器TR接成单端激励方式，由变压器完成升压和阻抗匹配工作。由于变压器初级直流电阻很小，所以当MOSFET导通时流过的电流将很大，因此，电路中设置了由限流电阻R₆和三极管Q₃构成的限流保护电路。所述TR变压器用于升高脉冲电压和使振荡器的输出阻抗与负载阻抗匹配，是超声频电源的关键器件。其工作频率f_r选为40kHz，最大导通时间T_ONmax10.5us，变比N为27，变压器次级的最小输出电压就可以达到：V_DC * N=324V。初级绕组匝数N₁为15匝，次级匝数N₂为405匝。

在图3中，所述超声回波信号的调理电路包括前置放大电路、带通滤波器、自动增益控制电路。所述前置放大电路是由高输入阻抗的精密仪表放大器AD620构成的。因为施加在换能器的峰值电压较大，故在放大器的输入端并联一对反向箝位二极管，以保护后面的放大电路。电源电压取为12~15V。

在图4中，所述带通滤波器由运算放大器OP177和RC阻容网络构成，其输出与输入同相。所述自动增益控制电路采用三极管作控制元件。

在图5中，所述自动增益控制电路采用三极管作控制元件。三极管的集电极经R₂、R₁接地。R6、R7组成输出分压电路，经D1、C2变成直流信号，直接驱动三极管的基极。当V_I较小，则V_B较小，不足使三极管导通，此时三极管的C_E内阻很大，相当于开路。随着V_I增加，则V_O增加，V_B升高，三极管导通，C_E间电阻Z_CE下降，Z_CE与R₂分压使V_I的增加量变小。因此，V_I升高时，Z_CE则变小，V_I被限制在一定的电平内，从而完成自动电平控制作用。