超声换能器驱动电路及其回波接收电路设计分析

李享

摘 要：随着汽车工业的不断发展，超声测距技术得到了广泛运用。超声换能器作为该技术的关键组成部件，可实现电能转化，并决定了超声测距系统能完成的最终指标。通过分析超声换能器的工作原理，对其驱动电路和回波接收电路的设计进行了深入探讨。

关键词：超声换能器；驱动电路；回波接收电路；超声测距系统

中图分类号：TB552 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.079

随着科学技术的不断进步，超声测距系统在我国各行业得到了广泛应用，比如在测井工程、机器人定位和车辆导航等方面得到了普遍运用。由于超声测距系统可进行非接触测量，且不受烟雾、光线和磁场等的影响，可准确、便捷地实现距离测量，因此，人们对该系统的重视程度越来越高。驱动电路和回波接收电路作为超声换能器的核心部分，其性能对整个超声测距工作有着至关重要的影响。因此，对驱动电路和回波接收电路的设计方法进行研究有着重要意义。

1 超声换能器的测距原理

超声测距系统充分运用了超声波的特点，通过电能转化的形式向外发送和接收超声波，从而实现回声探测。所谓“超声波”，是指谐振频率较高的声波，科学上定义达到20 kHz或超过此范围的声波为超声波。因其频率较高，且以直线的形式传播，所以，可利用这些特性实现超声换能器的换能。

图1 超声测距原理示意图

利用超声换能器能将电能转换为机械能。由于受到电脉冲的作用，超声波会沿着介质方向运动，当声波遇到目标后，因自身的反射作用形成回波，回波返回至换能器，由换能器的接收部件接收并转换成电能，如图1所示。如果已知介质声速为c，由超声波发出到接收第一个回波的时间为t，则换能器与目标之间的距离s=ct/2.为了节省成本，超声换能器采用的超声波探头的实际距离d=s.

2 超声换能器的驱动电路设计

2.1 超声换能器驱动电路的原理

图2 超声换能器驱动电路

图2为超声换能器驱动电路原理示意图，TR右侧为超声换能器的等效电路，左侧为激励信号的功率放大电路。高速光耦6N13为强弱电间的隔离器件，当微处理器发出方波信号时，激励信号会经光电耦合输入，三极管Q1会将输出信号放大。变压器的单端激励由驱动MOSFET管Q2构成，通过变压器与Q2的接成完成阻抗匹配和升压工作；三极管Q3和限流电阻R6可起到保护电路的作用。

2.2 脉冲变压器设计

超声换能器的变压器选择是整个设计的难点。在变压器的选择方面，选择了在转换电能时能形成单极性脉冲的变压器，这种特殊的变压器又称为脉冲变压器。脉冲变压器的设计非常困难，需要在理论基础的支撑上开展测试，通过试验调整完成设计。

2.2.1 变压器工作频率的确定

超声换能器的工作频率往往决定了变压器的工作频率。在脉冲变压器的设计中，如果超声换能器的工作频率fr为30 kHz，则与之对应的脉冲变压器工作周期T=33 μg。

2.2.2 变压器最大导通时间的确定

最大导通时间的确定取决于脉冲变压器的工作周期，计算公式为：

TONmax=T×Dmax. （1）

脉冲变压器的占空比是电路设计时的重要参数之一，通常用D表示。如果超声换能器为正向激励的变换器，则D的选值一般为0.4～0.45. 由于其对输出变压器、变换器效率和主开关元件等有较大的影响，因此，一定要结合设计需要选择D的值。结合上述计算公式可知，最大导通时间TONmax为15 μg。

2.3 变压器变比的确定

变压器的变比由N表示。当超声换能器的额定功率Pout确定时，变压器的功率负荷Pout/η也可确定。变压器的变比计算公式为：

. （2）

式（2）中：VDC为电源的电压；VDSS为场效应导通压降，1； 为脉冲变压器谐振电路的等效阻抗；η为变压器的效率；

一般情况下， 和η为固定值。当确定最小输入电压后，根据式（2）可计算出变压器的变比。

2.4 变压器铁芯的选择

铁芯可决定脉冲变压器的质量和体积指标，因此，选择合适的铁芯对脉冲变压器设计至关重要。在脉冲变压器的设计过程中，常采用软磁合金、有电工钢、非晶态合金和软磁铁氧体等多种材质作为铁芯。根据以往的经验，因软磁铁铁氧体具有较高的工艺性和低廉的价格，受到很多使用者的青睐；铁氧体铁芯的电阻率较高，符合脉冲变压器的设计要求。

铁芯选择公式为：

. （3）

式（3）中：S为磁芯的有效截面积；Q为铁芯窗口的截面积；Bm为铁芯工作的最大磁通密度；KT为铁芯的填充系数，1；J为导线承受范围内的电流密度，3～5 A/mm2。

2.5 变压器绕组匝数的计算

变压器绕组匝数是指变压器的初级和次级绕组匝数。由于变压器初级绕组匝数 与最大工作磁通密度Bm有一定的联系，所以，可以根据最大工作磁通密度计算 ，计算公式为：

. （4）

最大工作磁通密度Bm一般可根据B-H特性曲线看出，只要将已知量的数值代入式（4），即可计算出变压器的初级绕组匝数。变压器的次级绕组匝数可由变压器的变比确定，即N2=N1×N.虽然无法确定各绕组导线的匝数，但各绕组导线的直径可通过以下公式计算：

. （5）

式（5）中：Ii为流经绕组导线的有效电流。

3 超声换能器的回波接收电路设计

回波接收电路并不是独立的整体。图3为超声换能器的回波接收电路设计原理图，回波接收电路由三大部分组成，即自动电平控制ALC电路、带通滤波器和前置放大电路。

图3 超声换能器的回波接收电路设计原理图

3.1 前置放大电路设计

由于超声换能器的输出电阻很大，且需要较大的输入阻抗，因此，在回波接收电路设计中应使用前置放大器。由图3可看出，前置放大器位于超声换能器回波接收电路的前端，往往由仪表放大器AD620构成，具有较高的输入阻抗。由于超声换能器内部具有收、发同体传感器，会在收、发信号时产生干扰，进而影响超声换能器工作的稳定性，因此，设置前置放大器可保护后面的放大电路。具体，可在放大器输入端接连一对反向二极管，从而通过二极管的箝位保护电路。

图4为超声换能器回波接收前置放大电路示意图。为了抬高输入端的电位，可在前端放置电阻R1和R2。由于电子元件在运行中会产生噪声，因此，第一级前置放大电路的前向通道内不可加入电容，但为了抑制电压失调，电容C是必不可少的；为了实现阻抗，匹配加入了电阻R3。前置放大电路一般采用单电源的交流电，因此，输入端需要抬升至电源的1/2电位。

图4 超声换能器回波接收前置放大电路

3.2 带通滤波器设计

检测超声换能器的信号后发现，回波中夹杂着各种频率的噪声。带通滤波器为过滤信号的主要部件，可抑制热噪声、50 Hz工频信号和高频干扰信号，并可提取波中有用的信号，以保证信号不失真。图5为带通滤波电路的设计原理，该带通滤波器的噪声极低，由RC阻容网络和运算放大器构成。如果品质因数Q和谐振频率f0为固定值，则选定电容C后便可计算出谐振

增益的数值，计算公式为：

. （6）

联立上述方程可求出谐振增益的数值。

图5 带通滤波电路设计原理图

3.3 自动电平控制ALC电路设计

自动电平控制主要控制回波信号的幅值。超声波的回波信号会随测距的变化而变化。为了更好地接收回波，需要通过增益控制来固定幅值的变化范围。如图6所示，自动电平控制ALC电路设计控制幅值范围为A/D的转化。ALC电路设计采用三极管作为控制元件，R1和R2用于三极管的接地部分，R6和R7组成了整个电路的分压电路，通过将交流信号变为直流信号，可使三极管形成回路。此外，VI决定了VB的变化，VI小则VB小，VI大则VB大。要想使三极管形成回路，则VI必须增大，进而导致VB增大、三极管的C内阻和E内阻变小。当VI变小时，VB随之变小，三极管的电阻增大，进而导致三极管难以导通。由此可见，VI决定了C与E之间电阻的变化。因此，将VI控制在一定范围内，可实现自动电平控制。

图6 自动电平控制电路设计

4 结束语

随着科学技术的不断发展，超声测距系统在未来会得到更广泛的应用，超声换能器的设计也会更加科学、精细。本文对超声换能器驱动电路和回波接收电路的设计十分严格，明显提高了机械能与电能之间的转换效率，各项参数指标经过严格推导后得到了优化，实现了更大范围的超声测距功能。

参考文献

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〔编辑：张思楠〕