環鳴法聲速儀超聲波發射或接收電路設計研究

李 享（佛山市順德區美的廚房電器制造有限公司，廣東　佛山　528000）

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環鳴法聲速儀超聲波發射或接收電路設計研究

李 享
（佛山市順德區美的廚房電器制造有限公司，廣東佛山528000）

摘要：本文將在深入分析環鳴法聲速儀結構的基礎上，來闡述環鳴法聲速儀的工作原理，從而設計出一種超聲波發射/接收電路，然后對整個電路的使用性能進行分析，以期獲得理想的超聲波，提高測量的精確度。實驗分析表明，本文對電路的設計符合聲波測量的要求，并且整個電路的結構還比較簡單，易于操作和利用，值得推廣應用。

關鍵詞：環鳴法聲速儀；超聲波發射；接收電路；設計研究

隨著經濟的快速發展，科學技術也在不斷的進步，超聲波技術被廣泛的運用在了海洋資源勘察工作中，并且在軍事方面也進行了廣泛的應用。因此，研究超聲波技術至關重要，不僅有利于海洋資源的開發和利用，而且這也是國家保護領海安全的要求。在應用超聲波技術時，其中最為關鍵的技術就是超聲波發射和接收技術，直接關系到整個超聲波設備的運行情況，因此，研究超聲波發射和接收技術，設計出科學合理的發射和接收電路勢在必行。鑒于此，本文將在探討電路運行原理的基礎上，對電路進行優化設計，希望可以提高超聲波技術的水平。取得良好的超聲波。

一、環鳴法聲速儀超聲波發射/接收電路的基本結構概況

（一）環鳴法的定義

所謂的環鳴法就是指當測量聲速的精確度在已經確定的前提下，已經知道的距離越大，則對測時對精確度的要求越低，因此人們為了降低對測時對精確度的要求，往往利用測量聲波在已經知道的距離內往返多次的方法，使其不斷的循環下去，這種方法就是我們所說的環鳴法，也可以稱為脈沖循環法。

（二）超聲波發射/接收電路的基本結構概況

顯而易見，超聲波發射/接收電路的整個系統是由兩個部分組成的，即發射電路和接收電路。發射電路主要有以下幾個部分組成：場效應管驅動電路、高壓直流電路、電容器放電電路、匹配網路電路以及電源電路。它運行的原理以及過程主要是CPLD產生控制信號，并在換能器的兩端施加高壓窄帶脈沖，然后換能器經過逆電壓效應可以在海水中發出超聲波。而組成接收電路的主要部分包括輸入保護電路/諧振電路、放大電路、檢波/比較電路和電源電路。接收電路的主要功能是接收返回的微弱信號，并將其進行放大處理，然后再通過其它的電路將處理好的脈沖輸送到發射電路的CPLD中，這樣一來，CPLD就會產生下次信號，并且在整個過程中，接收電路還可以消除發射電路發射信號時產生的高壓窄帶脈沖信號。超聲波發射/接收電路基本的結構以及工作的流程如圖1所示。

二、超聲波發射電路

（一）高壓直流電路

本文的研究所采用的芯片為IMP803，輸入電壓是5V直流電壓，5V直流電壓可以產生并輸出100V左右的直流高電壓。在超聲波發射電路采用IMP803芯片，是因為這種芯片具有很大的優越性，它產生的直流電壓更加穩定、可靠，并且非常耐用。同時，IMP803芯片屬于一種單電源驅動，受到的電磁干擾較小，比較容易控制。另外，利用IMP803芯片產生直流高電壓電路對外圍器件的要求較少，只需要一個耐壓大于100V的快速恢復二極管、一個微小型電感和若干個電容和電阻，因此，整個電路的設計價格也比較低廉。

（二）控制信號與場效應管驅動

一般來說，在海水中聲音傳播的速度大約在1400m/s～1600m/s這個范圍內，電路中換能器和反射擋板的距離是2.5cm，也就是說聲波在換能器和反射擋板之間來回一次的距離為5cm，根據海水中聲速頻率的公式：聲速頻率＝聲速/聲波來回一次的距離可以計算出聲速頻率在28kHz～32kHz。因此，為了實現超聲波發射控制的功能，我們需要將首次觸發換能器的控制信號定位27kHz，這樣一來，可以使聲波環鳴后的頻率快速的返回到28kHz～32kHz。在這個系統當中，產生控制信號的結構是發射電路的CPLD，其產生的脈沖寬度大約為100ns。

在高頻工作的電路中，整個系統的性能受電子開關的電器特性的影響較大。在電路系統工作中，絕緣柵場效應管電容充電以及放電會造成大量的損耗，因此一定要選擇合理的功率絕緣柵場效應管驅動電路，將結電容控制在較小的范圍內，這是因為結電容越小，充放電所引起的損耗也就越小。本次研究的環鳴法聲速儀發射電路中的場效應管驅動電路所采用的驅動為一塊UCC37324驅動芯片，它屬于一種高速驅動器，其內部有兩個同向的放大器，這種驅動芯片性能良好，操作應用都非常簡單便捷，不需要借助外圍電路，并且能夠很好的驅動功率絕緣柵場效應管。

（三）高壓窄帶脈沖產生電路

雖然超聲波換能器可以采用連續波和尖脈沖波進行激勵，但是這兩種電路利弊共存，具體選擇哪一種，下面我們具體的進行分析。連續波發射電路在工作中很容易形成駐波，造成干擾，從而影響測量的精確度。而尖脈沖波電路會影響換能器轉化電聲波的效率，并且隨著聲波傳播距離的增大，脈沖波會出現畸形，從而造成測量數據不準確的情況。

我們研究的環鳴聲速儀的換能器所固有的頻率為5MHz，所以換能器和反射擋板之間的距離不能太遠，否則將會導致超聲波在遠距離傳輸中造成大量損失。已知換能器和反射擋板之間的距離為2.5cm，通過試驗和計算發現這個距離不會導致超聲波發射太大的畸變。同時再考慮電路處理的有關問題，發現采用連續波發射電路，為了提高換能器轉換電波的效率必須要調諧電路，這樣一來，使整個操作過程變得比較麻煩，而采用尖脈沖波電路則不需要對電路進行調諧，因此，采用尖脈沖發射電路是一個比較好的選擇。

（四）匹配調諧電路

在設計超聲波發射電路時，為了提高超聲波設備運行的質量和效率，一定要做好電路和換能器的匹配設計問題，這是因為換能器匹配電路可以使電路在換能器固有的諧振頻率中工作，從而提高換能器轉化聲波的效率。

三、接收電路

（一）輸入保護/諧振電路

1 輸入保護

在設計整個電路時，我們將發射電路的換能器和接收電路的換能器設計成一個，發射波和回波是在一條直線上運行，并且將高壓窄帶脈沖波加到接收電路上，然而要實現整個設計，并保證整個系統的正常運行，防止接收電路中的器件被高壓窄帶脈沖波損毀，必須要設計足夠科學合理的輸入保護電路來保護接收電路的安全。本文在設計輸入保護電路時，采用了并聯限幅電路，整個電路由二極管組成，發揮電路開關的作用。并且如圖2所示，我們將高壓窄帶脈沖信號通過電容耦合到a點。而對于微變小信號，仍然是經電容耦合到a點，這時候二極管截止，微小信號就會直接輸入到諧振電路當中。

2 諧振電路

諧振電路的主要作用就是將環鳴法聲速儀換能器發射的不需要的雜波和諧波等清除掉，從而選擇出需要的超聲波。利用環鳴法聲速儀，其換能器在發射固定頻率的超聲波的同時也會發射一些不需要的聲波，而這些不需要的雜波會對正常的測量活動造成不利的影響。因此為了提高測量的精確度，需要諧振電路在所有的超聲波中選擇出需要的超聲波。諧振電路具有重要的作用，在設計時也要格外注意，本文采用的諧振電路為GCL并聯諧振電路，如圖2所示。

（二）放大電路

顧名思義，放大電路的作用就是將發射電路發射的微弱反射回波信號進行放大，從而驅動各種分析和各種控制電路工作。通過對環鳴法聲速儀的設計計算可知，反射回波信號的原始信號，大約為5mV，經過放大處理，可以將信號增益為10dB，從而保證整個電路的正常運行。

（三）檢波/比較電路

檢波/比較電路的主要作用就是將已經放大的回波信號處理成可以利用的控制信號，然后將其輸送到發射電路的CPLD當中，從而實現控制聲波的第二次發送，使整個系統持續的進行測量工作。鑿設計檢波/比較電路時，我們主要利用二極管和比較管，二極管的主要作用就是提取反射回波中的低頻信號，這主要是因為二極管具有單向導電性的特征。在整個系統運行中，比較電路的發揮的主要作用就是將二極管提取的低頻信號轉化成可以利用的脈沖信號，然后將這些可以利用的脈沖信號輸送到發射電路的CPLD當中，進而形成一個完整的循環系統。

結語

本文研究表明，環鳴法聲速儀發射電路和接收電路利用IMP803芯片產生直流電壓，以5V直流電壓為低壓電源供電，從而可以產生100V左右的直流高壓；電路系統的開關為絕緣柵場效應管，可以獲得非常好的窄帶脈沖信號；而接收電路可以將接收到的反射回波信號進行放大處理，從而變成可以使用的控制信號。因此，本次試驗設計的電路可以滿足實際測量工作的要求，并且整個電路設計還 比較簡單、安全，值得推廣應用。

參考文獻

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中圖分類號：TN859

文獻標識碼：A