一种超声波换能器的数字信号调制与驱动电路及其工作方法与流程

本发明涉及一种超声波换能器的数字信号调制与驱动电路，属于超声波计量及超声波换能器控制与应用的技术领域。

背景技术：

超声波换能器的功能是将输入的电能量转换成机械能量，并以声波的形式发射出去，或者将接收到的声波能量，即一种机械振动能转换为电能，由后端的电路及微处理器做电子化和数字化处理。超声波换能器的信号调制和驱动是根据系统要求产生电激励信号并驱动换能器产生需要的超声波信号输出的电路。

超声波计量设备的国家和行业标准对计量精度和重复性，批量生产产品的一致性都有严格明确的要求，设备必须能够在复杂电磁与声波干扰、恶劣的温度和湿度环境正常工作，适应不同的测量介质以及介质组份变化。为了满足上述要求，超声波计量设备的测量控制电路必须有良好的噪声抑制和抗干扰能力，在实现高的计量精度的前提下，保证工作状态的高可靠性和稳定性。作为超声波计量技术重要组成部分，本发明与计量用超声波换能器、超声波换能器的阻抗匹配电路、高精度数字信号处理算法一道，保证了在各种恶劣工作环境下的计量精度和稳定性。

常用超声波换能器驱动信号的调制模式包括振幅调制、频率调制、脉冲宽度调制、占空比调制以及相位调制等。现有技术多采用模拟调制方法，主要原因是超声波换能器多为模拟器件，无法采用数字信号直接有效驱动。虽然常用超声波换能器驱动信号的调制模式均可以采用模拟调制方式实现，不过和数字调制方法相比，模拟调制方法电路复杂，成本高，灵活性差，尤其是在同一应用中需要同时实现多种信号调制模式时，模拟调制方法的局限性就很明显，甚至是难以实现的。

相比之下，数字调制方法只需利用微处理器通过软件即可实现，需要的硬件材料少，电路简单，实现成本低，而且每一种或者几种，甚至全部信号调制模式都可以方便快捷地实现，即使是模拟调制方法实现难度较大的精密相位调制采用数字调制也可以很容易实现。

然而数字调制的局限是数字信号驱动换能器效率低，难以适用于不同的换能器器件和各种工作环境与介质。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种超声波换能器的数字信号调制与驱动电路，包含的模拟适配电路以及可编程功率驱动控制电路与数字信号调制器相匹配。本发明不但能弥补数字调制方法驱动模拟换能器效率低这个局限性、满足不同的超声波换能器的技术要求、适应各种温度湿度及干扰环境，还能实现系统的灵活性和适应性相统一的设计目标。

本发明的技术方案如下：

一种超声波换能器的数字信号调制与驱动电路，包括数字信号调制器、模拟适配电路以及可编程功率驱动控制电路；

所述数字信号调制器包括：在微处理器u1内部设置的数字信号调制器dsm，其用于对超声波换能器的数字驱动信号的调制；反相器a1提供一路与dsm输出信号相位互补的信号，两路所述信号相互配合驱动下述模拟适配电路中所述推挽电路的两臂交替导通和关断；本发明通过所述数字信号调制器采用数字调制信号，其设计优点在于设计灵活高效，可以通过软件实现任意频率、相位、脉宽以及占空比的调制，大大简化硬件电路实现，降低功耗和成本。

所述模拟适配电路包括微处理器u1、变压器t1、第一电子开关sw1、第二电子开关sw2、第一整流器件d1、第二整流器件d2、第一输入保护电阻r1、第二输入保护电阻r2和谐振激励回路；其中，所述第一电子开关sw1、第二电子开关sw2、第一整流器件d1、第二整流器件d2以及第一输入保护电阻r1、第二输入保护电阻r2共同构成推挽结构电路的两臂，通过带中间抽头的变压器t1，感应产生出驱动超声波换能器的模拟激励信号。

根据本发明优选的，所述谐振激励回路包括：阻尼电阻r3、谐振电容c1、保护电阻r4以及换能器td。

数字信号调制器输出的信号驱动超声波换能器这样的模拟器件效率低，难以满足不同厂家生产的不同性能的超声波换能器器件，以及各种极限工作环境与不同介质的计量要求，所以本发明设计了上述模拟适配电路和可编程功率驱动控制电路与数字信号调制器相匹配，既利用了数字信号调制器实现简单、功能强大又灵活的优点，又具备对换能器器件和工作环境与介质的广谱适应性。

根据本发明优选的，所述可编程功率驱动控制电路包括微处理器u1、可编程电流沉g1和电压源v1。

一种超声波换能器的数字信号调制与驱动电路的工作方法：

所述微处理器u1根据检测到的信号幅度和信噪比变化，通过可编程电流沉g1调节变压器t1原边线圈回路中允许通过的最大激励电流，实现激励信号功率的自动控制。本发明所述方法可以最大限度地满足各种工作环境和工作介质条件下声波输出信号的幅度和信噪比要求，保证计量精度。

本发明所述电路的工作原理如下：

当接收到的信号幅度低于预定的值时，所述微处理器u1通过可编程电流沉g1增大变压器t1原边线圈回路中允许通过的最大激励电流，使得超声波换能器输出更强的声波信号，这样接收换能器接收到的信号幅度和信噪比就会提高，满足计量要求；当接收到的信号幅度高于预定的值时，所述微处理器u1通过可编程电流沉g1降低变压器t1原边线圈回路中允许通过的最大激励电流，使得超声波换能器输出声波信号幅度降低，这样接收换能器接收到的信号幅度就会降低，而信噪比也能满足计量要求，从而降低系统功耗。

根据本发明优选的，随时间变化的激励电流i(t)在变压器t1的原边线圈上产生感应电动势vp(t):

在公式(1)中t为时间变量，lp为变压器t1原边线圈的自感系数，激励电流i(t)的幅值由可编程电流沉g1限定，通过变压器t1原副线圈间的耦合互感，原边线圈中的感应电动势vp(t)在副边线圈中产生感应交变电动势vs(t)，对于理想变压器存在：

在公式(2)中为副原线圈的匝数比；感应交变电动势vs(t)通过谐振回路激励换能器td产生超声波信号，并发射出去，实现控制输出信号功率的目的。

根据本发明优选的，为了进一步提高输出功率的动态调节范围，所述电压源v1为可编程电压源。此设计的目的在于，参照极端情况下该电压源v1与可编程电流沉g1配合进一步提高驱动能力。

上述采用可编程电压源的的工作原理如下：

当接收到的信号幅度低于预定的值时，如果所述微处理器u1通过可编程电流沉g1增大变压器t1原边线圈回路中允许通过的最大激励电流，不足以使得超声波换能器输出的声波信号满足计量要求，这时所述微处理器u1控制可编程电压源v1通过提高施加到变压器t1原边线圈上的电压，进一步提高原边线圈中通过的最大激励电流，在换能器td中激励出更高的测量信号，满足精密计量需要的信号要求。

本发明的技术优势在于：

本发明整体电路设计基于计量电路的核心要求，实现信号低失真度、低杂散信号辐射、低功耗的设计目标，满足信号幅值动态控制和灵活高效的设计要求。

1、在超声波流量计量技术中，涉及到精密计量的微弱信号检测，用到复杂的数字信号处理(dsp，digitalsignalprocessing)算法和技术。与常规采用模拟调制信号驱动换能器不同的是，为满足数字信号处理，要求换能器的调制信号数字化。这个工作由基于微处理器的数字信号调制器(digitalsignalmodulator)完成。

2、作为一个模拟电子器件，超声波换能器无法直接用数字信号有效驱动，需要一个模拟适配电路作为数字调制信号的接口。

3、超声波流量计量设备要求适应恶劣的工作环境，抗干扰能力强，工作温度范围宽，适用不同的工作介质和介质组份，不易受介质中的杂质及不稳定流体流动模式的影响。因此换能器的驱动电路要求满足高效和幅值可控，通过微处理器系统对不同的工作环境条件的探测和感知，实现对换能器的智能可编程功率驱动控制，保证信号的信噪比，有效地抑制各种干扰，满足精确稳定计量对信号的要求。

附图说明

图1是本发明所述超声波换能器的数字信号调制与驱动电路的电路原理图；

图2为本发明中所述反相器a1提供的与所述数字信号调制器dsm输出的数字调制信号s2相位互补的信号s1示意图，用于控制第一电子开关sw1；

图3为本发明中所述数字信号调制器dsm输出的数字调制信号s2示意图，用于控制第二电子开关sw2；

图4为本发明应用于超声波燃气表的测量控制系统结构框图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

一种超声波换能器的数字信号调制与驱动电路，包括数字信号调制器、模拟适配电路以及可编程功率驱动控制电路；

所述数字信号调制器包括：在微处理器u1内部设置的数字信号调制器dsm，其用于对超声波换能器的数字驱动信号的调制；反相器a1提供一路与dsm输出信号相位互补的信号，两路所述信号相互配合驱动下述模拟适配电路中所述推挽电路的两臂交替导通和关断；

所述模拟适配电路包括微处理器u1、变压器t1、第一电子开关sw1、第二电子开关sw2、第一整流器件d1、第二整流器件d2、第一输入保护电阻r1、第二输入保护电阻r2和谐振激励回路。

所述谐振激励回路包括：阻尼电阻r3、谐振电容c1、保护电阻r4以及换能器td。

所述可编程功率驱动控制电路包括微处理器u1、可编程电流沉g1和电压源v1。

实施例2、

如实施例1所述一种超声波换能器的数字信号调制与驱动电路的工作方法：

所述微处理器u1根据检测到的信号幅度和信噪比变化，通过可编程电流沉g1调节变压器t1原边线圈回路中允许通过的最大激励电流，实现激励信号功率的自动控制。

实施例3、

如实施例1、2所述一种超声波换能器的数字信号调制与驱动电路，其中，随时间变化的激励电流i(t)在变压器t1的原边线圈上产生感应电动势vp(t):

在公式(1)中t为时间变量，lp为变压器t1原边线圈的自感系数，激励电流i(t)的幅值由可编程电流沉g1限定，通过变压器t1原副线圈间的耦合互感，原边线圈中的感应电动势vp(t)在副边线圈中产生感应交变电动势vs(t)，对于理想变压器存在：

在公式(2)中为副原线圈的匝数比；感应交变电动势vs(t)通过谐振回路激励换能器td产生超声波信号，并发射出去，实现控制输出信号功率的目的。

为了进一步提高输出功率的动态调节范围，所述电压源v1为可编程电压源。

应用例、

如图4所示。

将本发明应用于超声波燃气表的测量控制系统时，为了满足精密计量的数字信号处理算法和技术要求，采用基于微处理器的数字信号调制器实现超声波换能器驱动信号的调制，使得信号调制电路简单灵活高效。

根据不同厂家生产的不同批次的超声波换能器性能参数，调节数字信号调制器内部控制参数，输出满足该换能器器件性能特点的频率、脉宽甚至相位调制的数字驱动信号。利用本发明的数字信号调制技术无需更改电路，只需输入少量控制参数，即可由基于微处理器的数字信号调制器自动完成，灵活高效适应性强。

所述数字调制信号通过模拟适配电路以及可编程功率驱动控制电路驱动超声波换能器。当接收到的信号幅度低于预定的值时，所述微处理器u1通过可编程电流沉g1调高变压器t1原边线圈回路中允许通过的最大激励电流，使得超声波换能器输出更强的声波信号，使得接收换能器接收到的信号幅度和信噪比就会提高，满足计量要求；当接收到的信号幅度高于预定的值时，所述微处理器u1通过可编程电流沉g1调低变压器t1原边线圈回路中允许通过的最大激励电流，使得超声波换能器输出声波信号幅度降低，这样接收换能器接收到的信号幅度就会降低，降低系统功耗。

综上，本发明设计了一个模拟适配电路作为数字调制信号驱动模拟器件的接口，使得驱动电路对各种不同厂家生产的不同批次的器件具有良好的适应性。同样，为了适应宽的工作温度湿度范围和不同工作介质，对外部复杂电磁及声波干扰具备良好的抑制，本发明采用了基于微处理器的智能可编程功率驱动控制，有效地抑制各种干扰，保证信号的信噪比。