超聲換能器驅(qū)動電路及回液接收電路的設(shè)計

1、超聲換能器驅(qū)動電路及回液接收電路的設(shè)計                摘要：介紹了采用脈沖回波法進(jìn)行超聲測距的原理，設(shè)計了一種高效率的超聲換能器驅(qū)動電路，使換能器和功放的阻抗匹配得到改善。另外還設(shè)計了一種單電源回波接收電路。本系統(tǒng)主要用于車輛防碰撞等領(lǐng)域。從實驗結(jié)果來看，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、超聲測距 脈沖變壓器 阻抗匹配 推挽放大器    隨著我國汽車工業(yè)和高速公路事業(yè)的飛速發(fā)展，研制、開發(fā)基于高性價比的超聲波測距技術(shù)的車輛防撞系統(tǒng)具有重要的社會與經(jīng)濟(jì)價值。    車輛防撞系統(tǒng)具有自動探測前方障礙物、自動減速或剎車的功能，是未來高級小汽車和載重車輛必備的安全行駛輔助裝置。日本、美國和歐洲等各大汽車公司都已投入了相當(dāng)?shù)娜肆?、物力開發(fā)在高級汽車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)海外媒體報道，戴姆勒克萊斯勒公司日前成功開發(fā)出供商用車(尤指卡車)使用的電子剎車系統(tǒng)

3、，它利用車載前視雷達(dá)感應(yīng)器探測前方景物，由車載控制器處理這一感知信息而形成虛擬景象，由此來判斷當(dāng)前路況是否需要啟動自動剎車裝置。這種新型剎車系統(tǒng)在未來的兩、三年內(nèi)即可面市，預(yù)期價格為3745歐元1。顯然，就普通汽車而言，該自動電子剎車裝置太昂貴。    超聲測距傳感器價格低廉，其性能幾乎不受光線、粉塵、煙霧、電磁干擾和有毒氣體的影響，而且使用方便。然而，常見的超聲測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高速行駛時的使用性能。超聲測距儀的作用距離不僅僅依賴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，以增大超聲測距儀的作用距離，使之能夠在未來的國產(chǎn)化汽車主動防撞系統(tǒng)中得到應(yīng)用。    1 超聲測距原理    諧振頻率高于20kHz的聲波被稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，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，它可將聲能(機(jī)械能)轉(zhuǎn)換為電能。  

5、0; 最常用的超聲測距方法是回聲探測法。其工作原理是：使換能器向介質(zhì)發(fā)射聲脈沖，聲波遇到被測物體(目標(biāo))后必有反射回來的聲波(回波)作用于換能器上。若已知介質(zhì)的聲速為c，第一個回波到達(dá)的時刻與發(fā)射脈沖時刻的時間差為t，那么即可按式s=ct2計算換能器與目標(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)償問題。空氣中聲速與溫度的關(guān)系可表示為：      &#

6、160; 2 驅(qū)動電路的設(shè)計    圖2所示的超聲頻驅(qū)動電源用于激勵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 場效應(yīng)管功率放大電路的設(shè)計    在此采用在超聲波發(fā)生器上應(yīng)用較多的乙類推挽放大電路。其特點(diǎn)是無激勵信號時，兩個功率管IRFl20的靜態(tài)電流為零；而有激勵信號時，兩個功率管交替工作，各輸出半波信號，合起來形成一個完整的波形。    SN75732是雙通道與非門TTLMOS專用接口器

7、件，其中，管腳2是兩個與非門公用的使能輸入端(高電平有效)，管腳17、管腳36分別是兩個與非門的輸入輸出端；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電平來驅(qū)動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)生過大的電流沖擊。當(dāng)選通信號為低電平時，SN75732的兩個與非門均輸出低電平，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)選通信號為高電平時，超聲

8、頻脈沖信號通過與非門HC00的邏輯變換后，使SN75732的兩個與非門交替輸出高電平，驅(qū)動兩個功率管IRFl20交替導(dǎo)通與截止(推挽放大)，通過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，繼電器J處于常閉狀態(tài)(換能器接入驅(qū)動電路的輸出端)。    要使非線性失真不明顯，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，將實際負(fù)載RL'，變換成所期望的值只RL，以實現(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的互補(bǔ)對稱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為流過功率管的最大電流，對應(yīng)于圖中負(fù)載線AQ，其功率三角形面積最大，非線性失真不明顯。所以，最大功率的負(fù)載電阻應(yīng)當(dāng)是RL=(VDD-VDSS)/IDm。    場效應(yīng)管IRFl20采用電壓驅(qū)動方式，與負(fù)載電流和安全工作區(qū)域無關(guān)，電路設(shè)計較為簡單；對于開關(guān)速度來說，它同雙極型器件相比可大幅度提高開關(guān)速度，溫度影響也小；而且它僅受管子功耗的限制，無二次擊穿的影響，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    脈沖變壓

10、器是超聲換能器驅(qū)動電路中最重要的器件，它的用途是升高脈沖電壓信號，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、原副邊電壓信號的幅值確定變壓器的尺寸和變比3；而超聲換能器驅(qū)動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，其所對應(yīng)的諧振電路等效阻抗RL'=450。則半個周期內(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)計電路時的一個重要參數(shù)，它對主開關(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)荷的計算    由前面推導(dǎo)可知RL(VDD-VDSS)IDm時功放效率最大，取VDD=12V，考慮到車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特性曲線查出Bm=250mT；KT為鐵心的填充系數(shù)，對于鐵氧體鐵心來講，KT=1；Ku

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