基于Multisim的超聲波發射電路設計及仿真

賈文水 王仁寶 郭立全

摘 要：文中設計了一種基于高壓直流電源的超聲波發射電路，利用電容特性在開關管導通和關斷過程中產生的較高脈沖電壓來激勵超聲波換能器，并使用Multisim仿真軟件進行仿真驗證，得出了正確的仿真結果。

關鍵詞：高壓直流電源；超聲波；發射電路；Multisim

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-00-01

0 引 言

隨著科技的進步，無損檢測技術越來越多地被應用于實際生產和生活中。因為超聲波具有定向性好、能量集中，在傳輸過程中衰減較小，反射能力較強等特點，不受光線、被測物顏色等的影響，在惡劣環境下具有較強的適應能力，因此超聲波技術是無損檢測技術中極具優勢的一種。本文著重介紹了利用高壓直流電源實現發送脈沖驅動信號的超聲波發射電路，并利用Multisim軟件對電路進行了仿真驗證。

1 發射電路原理圖設計及仿真結果

1.1 電路設計

發射電路原理如圖1所示。

V2為IGBT開關管Q1提供的方波驅動信號。電路上電時，當MOS管Q1沒有驅動信號到來時，Q1關斷，V1高壓直流電源通過電阻R1、R2和電容C1組成的回路對C1充電，充電完成后，C1左側電勢約為U1。當Q1的驅動信號為高電平時，Q1開關管導通，C1左側相當于接地。由于電容兩端的電勢差不能突變，因此C1右側電勢將變為-U1，且隨著時間的推移逐漸衰減（電容放電），產生一個高壓脈沖驅動信號，此脈沖驅動信號通過匹配電阻R3和R4后被加在壓電換能器上，驅動換能器發出超聲波，該方式屬于脈沖激勵方式。V2驅動信號的占空比應根據C1進行調整，電容充放電時間需要根據發射的超聲波主頻率來確定。其中，電容C1充放電的時間計算方法如下：

充放電時間為：τ=1/（ReqC1），其中：Req=R1+R2。

1.2 電路仿真結果

電路仿真結果如圖2所示。

圖2中，通道A為V2輸出的Q1方波驅動信號，其占空比為12%，方波幅值為+5 V，頻率為1 MHz。通道B為發射電路輸出的脈沖驅動信號波形，其輸出信號幅值約為-450 V，此電壓水平足以驅動許多換能器，頻率為1 MHz，且波形較為穩定，無其他雜波，對于超聲波信號的處理而言具有很大好處。由仿真結果可知，文中所設計的超聲波發射電路符合要求。

2 結 語

本文設計的超聲波發射電路由高壓直流電源供電，電路設計較為簡單，在1 MHz頻率下依然能夠發出較高的驅動電壓，對解決高頻率下電壓限制問題具有很大的幫助。對此電路進行了詳細的理論分析，并通過仿真軟件驗證了電路設計的正確性。

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