超聲換能器驅(qū)動(dòng)電路及回液接收電路的設(shè)計(jì)

1、超聲換能器驅(qū)動(dòng)電路及回液接收電路的設(shè)計(jì)                摘要：介紹了采用脈沖回波法進(jìn)行超聲測(cè)距的原理，設(shè)計(jì)了一種高效率的超聲換能器驅(qū)動(dòng)電路，使換能器和功放的阻抗匹配得到改善。另外還設(shè)計(jì)了一種單電源回波接收電路。本系統(tǒng)主要用于車(chē)輛防碰撞等領(lǐng)域。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，發(fā)射效率和接收靈敏度均較高，回波效果良好，大大提高了超聲波探頭的作用距離。        關(guān)鍵詞：

2、超聲測(cè)距 脈沖變壓器 阻抗匹配 推挽放大器    隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)和高速公路事業(yè)的飛速發(fā)展，研制、開(kāi)發(fā)基于高性?xún)r(jià)比的超聲波測(cè)距技術(shù)的車(chē)輛防撞系統(tǒng)具有重要的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。    車(chē)輛防撞系統(tǒng)具有自動(dòng)探測(cè)前方障礙物、自動(dòng)減速或剎車(chē)的功能，是未來(lái)高級(jí)小汽車(chē)和載重車(chē)輛必備的安全行駛輔助裝置。日本、美國(guó)和歐洲等各大汽車(chē)公司都已投入了相當(dāng)?shù)娜肆?、物力開(kāi)發(fā)在高級(jí)汽車(chē)上使用的防撞與安全預(yù)警系統(tǒng)，包括毫米波雷達(dá)、CCD攝像機(jī)、GPS和高檔微機(jī)等。據(jù)海外媒體報(bào)道，戴姆勒克萊斯勒公司日前成功開(kāi)發(fā)出供商用車(chē)(尤指卡車(chē))使用的電子剎車(chē)系統(tǒng)

3、，它利用車(chē)載前視雷達(dá)感應(yīng)器探測(cè)前方景物，由車(chē)載控制器處理這一感知信息而形成虛擬景象，由此來(lái)判斷當(dāng)前路況是否需要啟動(dòng)自動(dòng)剎車(chē)裝置。這種新型剎車(chē)系統(tǒng)在未來(lái)的兩、三年內(nèi)即可面市，預(yù)期價(jià)格為3745歐元1。顯然，就普通汽車(chē)而言，該自動(dòng)電子剎車(chē)裝置太昂貴。    超聲測(cè)距傳感器價(jià)格低廉，其性能幾乎不受光線(xiàn)、粉塵、煙霧、電磁干擾和有毒氣體的影響，而且使用方便。然而，常見(jiàn)的超聲測(cè)距儀的作用距離較短，一般均小于或等于10m，從而限制了它在汽車(chē)高速行駛時(shí)的使用性能。超聲測(cè)距儀的作用距離不僅僅依賴(lài)于高性能的超聲波探頭，而且與超聲波的發(fā)射與接收電路的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率有關(guān)。本文主要研究一

4、種高效的超聲換能器收發(fā)電路，以增大超聲測(cè)距儀的作用距離，使之能夠在未來(lái)的國(guó)產(chǎn)化汽車(chē)主動(dòng)防撞系統(tǒng)中得到應(yīng)用。    1 超聲測(cè)距原理    諧振頻率高于20kHz的聲波被稱(chēng)為超聲波。超聲波為直線(xiàn)傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。利用超聲波的這種性能就可制成超聲傳感器，或稱(chēng)為超聲換能器，它是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為聲能、又可以把聲能轉(zhuǎn)化為電能的器件或裝置。換能器在電脈沖激勵(lì)下可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，向外發(fā)送超聲波；反之，當(dāng)換能器處在接收狀態(tài)時(shí)，它可將聲能(機(jī)械能)轉(zhuǎn)換為電能。  

5、0; 最常用的超聲測(cè)距方法是回聲探測(cè)法。其工作原理是：使換能器向介質(zhì)發(fā)射聲脈沖，聲波遇到被測(cè)物體(目標(biāo))后必有反射回來(lái)的聲波(回波)作用于換能器上。若已知介質(zhì)的聲速為c，第一個(gè)回波到達(dá)的時(shí)刻與發(fā)射脈沖時(shí)刻的時(shí)間差為t，那么即可按式s=ct2計(jì)算換能器與目標(biāo)之間的距離，如圖1所示?？紤]到傳感器的成本與安裝的方便性，采用收發(fā)兼用型超聲波探頭，即實(shí)際距離d=s。    聲波的速度c與溫度T有關(guān)2 。如果環(huán)境溫度變化顯著,則必須考慮溫度補(bǔ)償問(wèn)題?？諝庵新曀倥c溫度的關(guān)系可表示為：      &#

6、160; 2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)    圖2所示的超聲頻驅(qū)動(dòng)電源用于激勵(lì)超聲換能器使之向外發(fā)送超聲波，超聲頻電源與超聲換能器儀器構(gòu)成超聲發(fā)生器。圖2    21 場(chǎng)效應(yīng)管功率放大電路的設(shè)計(jì)    在此采用在超聲波發(fā)生器上應(yīng)用較多的乙類(lèi)推挽放大電路。其特點(diǎn)是無(wú)激勵(lì)信號(hào)時(shí)，兩個(gè)功率管IRFl20的靜態(tài)電流為零；而有激勵(lì)信號(hào)時(shí)，兩個(gè)功率管交替工作，各輸出半波信號(hào)，合起來(lái)形成一個(gè)完整的波形。    SN75732是雙通道與非門(mén)TTLMOS專(zhuān)用接口器

7、件，其中，管腳2是兩個(gè)與非門(mén)公用的使能輸入端(高電平有效)，管腳17、管腳36分別是兩個(gè)與非門(mén)的輸入輸出端；管腳4是數(shù)字地；管腳8接5V直流電源，管腳5接直流電源VDD。利用該接口電路就可以直接用TTL電平來(lái)驅(qū)動(dòng)MOSFET功率管。只要適當(dāng)選取電阻R1就可以確定MOSFET功率管IRFl20的柵源電壓V GS，進(jìn)而確定功率管導(dǎo)通時(shí)的漏極電流I D；R用于限制漏極電流I D的大小，避免功率管導(dǎo)通瞬間產(chǎn)生過(guò)大的電流沖擊。當(dāng)選通信號(hào)為低電平時(shí)，SN75732的兩個(gè)與非門(mén)均輸出低電平，功率管IRFl20截止，發(fā)射電路不工作，而繼電器J處于接通狀態(tài)(與SIGl和SIG2接觸)；當(dāng)選通信號(hào)為高電平時(shí)，超聲

8、頻脈沖信號(hào)通過(guò)與非門(mén)HC00的邏輯變換后，使SN75732的兩個(gè)與非門(mén)交替輸出高電平，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)功率管IRFl20交替導(dǎo)通與截止(推挽放大)，通過(guò)脈沖變壓器升壓輸出高振幅正弦波，換能器將獲得的能量以聲能形式輻射出去。此時(shí)，繼電器J處于常閉狀態(tài)(換能器接入驅(qū)動(dòng)電路的輸出端)。    要使非線(xiàn)性失真不明顯，其功率最大，負(fù)載應(yīng)當(dāng)是固定不變的。因此變壓器的另一作用是進(jìn)行耦合，將實(shí)際負(fù)載RL'，變換成所期望的值只RL，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。如圖3所示，AB和BQ分別代表了ID和(VDD-VDSS)，因此ABQ的面積就代表了工作在乙類(lèi)的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路輸出功率的大小。ABQ的面積

9、愈大，就表明輸出功率Po也愈大。IDm為流過(guò)功率管的最大電流，對(duì)應(yīng)于圖中負(fù)載線(xiàn)AQ，其功率三角形面積最大，非線(xiàn)性失真不明顯。所以，最大功率的負(fù)載電阻應(yīng)當(dāng)是RL=(VDD-VDSS)/IDm。    場(chǎng)效應(yīng)管IRFl20采用電壓驅(qū)動(dòng)方式，與負(fù)載電流和安全工作區(qū)域無(wú)關(guān)，電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單；對(duì)于開(kāi)關(guān)速度來(lái)說(shuō)，它同雙極型器件相比可大幅度提高開(kāi)關(guān)速度，溫度影響也?。欢宜鼉H受管子功耗的限制，無(wú)二次擊穿的影響，因而在此代替功率晶體管作功率放大器件。    22 變壓器的設(shè)計(jì)    脈沖變壓

10、器是超聲換能器驅(qū)動(dòng)電路中最重要的器件，它的用途是升高脈沖電壓信號(hào)，并使功率放大器的輸出阻抗與換能器的負(fù)載阻抗匹配。一般脈沖變壓器以變壓器的功率、原副邊電壓信號(hào)的幅值確定變壓器的尺寸和變比3；而超聲換能器驅(qū)動(dòng)用變壓器則主要以功率和原副邊電感及阻抗匹配確定變壓器的尺寸和變比。    221 變壓器工作頻率及輸入電壓脈寬的確定    脈沖變壓器的工作頻率取決于超聲換能器的工作頻率。在此選用fr=30kHz的換能器，其所對(duì)應(yīng)的諧振電路等效阻抗RL'=450。則半個(gè)周期內(nèi)的電壓脈寬為：  

11、0; Ton=(DT/2)(D/2fr)    (2)    其中，T為脈沖變壓器的工作周期。D是設(shè)計(jì)電路時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)，它對(duì)主開(kāi)關(guān)元件、輸出變壓器和變換器效率等都有很大的影響。在此選D=09，則有Ton15s。    222 變壓器變比的確定及功率負(fù)荷的計(jì)算    由前面推導(dǎo)可知RL(VDD-VDSS)IDm時(shí)功放效率最大，取VDD=12V，考慮到車(chē)輛使用的蓄電池所能提供的最大電流有限，取IDm=5A，由功率管工作特性曲線(xiàn)可以查出V

12、DSS=2V，得出RL(12-2)52，所以變壓器變比為：        變壓器的功率負(fù)荷為：        式中，Pout為換能器的工作功率；為變壓器的效率，可取095；VAm為等效負(fù)載RL上的電壓幅度。將已知值代入(4)式得Pout24W。    223變壓器鐵心的選擇    鐵心是脈沖變壓器的重要組成部分。脈沖變壓器的體積、質(zhì)量等主要指標(biāo)都由鐵心來(lái)確定

13、。常用的鐵心材料有電工鋼、軟磁合金、軟磁鐵氧體、非晶態(tài)合金等。其中鐵氧體鐵心工藝性好，價(jià)格便宜，而且電阻率很高，確保在窄脈沖情況下能得到高的有效脈沖磁導(dǎo)率，要比冷軋電工鋼高十倍以上。對(duì)于推挽式電路，鐵心尺寸的選擇可參考下式：        式中，S為磁芯的有效截面積；Q為鐵心的窗口截面積，只有各繞組截面積之和小于鐵心的窗口面積，才能使鐵心窗口繞得下全部繞組；Bm為鐵心最大工作磁通密度，在此選取材料為3E25的鐵心，由該材料的B-H特性曲線(xiàn)查出Bm=250mT；KT為鐵心的填充系數(shù)，對(duì)于鐵氧體鐵心來(lái)講，KT=1；Ku

14、為鐵心窗口的利用系數(shù)，與繞組導(dǎo)線(xiàn)直徑及繞制工藝水平有關(guān)，一般取0105；J為導(dǎo)線(xiàn)允許的電流密度，一般取為35Amm2。    將已知數(shù)值代入式(5)，計(jì)算得SQ14035mm2。根據(jù)參考文獻(xiàn)4，可選取Philips公司生產(chǎn)的E25106型號(hào)的鐵心，其有效面積S=384mm2。    224 變壓器初、次級(jí)繞組匝數(shù)的計(jì)算    變壓器初級(jí)繞組的匝數(shù)N1由下式確定：    N1=(VDD×Ton)/(2Bm×S)    (6)    將已知量代入，得。于是，由變壓器的變比N可求出變壓器次級(jí)繞組的匝數(shù)，即：    N2=N1×N=10×15=150。    各繞組導(dǎo)線(xiàn)的直徑可由下式計(jì)算：