參量換能器原理和收發(fā)電路設(shè)計(jì)

參量換能器系統(tǒng)主要由PC機(jī)、超聲波發(fā)射電路、聲波接收電路、發(fā)射換能器、傳聲器和數(shù)據(jù)采集卡組成。本文擬建立如圖2所示的參量換能器實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)。其中超聲換能器和傳聲器是用來實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)發(fā)射和聲波信號(hào)接收的裝置；超聲波發(fā)射電路是用來產(chǎn)生一定頻率的載波和調(diào)制信號(hào)，通過調(diào)制、放大后驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)射出超聲波信號(hào)；聲波接收電路是用來對回波信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等調(diào)理，以便送人數(shù)據(jù)采集卡，然后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3 發(fā)射電路的設(shè)計(jì)

參量換能器的超聲波發(fā)射電路，主要包括信號(hào)產(chǎn)生電路和功率放大電路。信號(hào)產(chǎn)生電路主要是用來產(chǎn)生超聲波信號(hào)，功率放大電路主要是用來提高電路的發(fā)射功率從而驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)射出超聲波信號(hào)。

3.1 信號(hào)產(chǎn)生電路

參量換能器采用正弦信號(hào)作為載波信號(hào)；調(diào)制信號(hào)可采用Ricker信號(hào)(由PC機(jī)產(chǎn)生)。正弦信號(hào)擬用LM741設(shè)計(jì)了一種RC橋式正弦波振蕩電路，如圖3所示。該電路采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋，具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn)。圖中，D1，D2為二極管元件，其作用是限制輸出電壓的擺幅不斷增大，避免輸出波形失真。

放大電路由電阻R1和R2，R3以及Rd的等效電阻Rf構(gòu)成的負(fù)反饋組成，其中Rd為二極管的內(nèi)阻。放大電路的放大倍數(shù)為：

選頻網(wǎng)絡(luò)由RC組成的串并聯(lián)電路組成，其特征頻率為：

根據(jù)試驗(yàn)需要，可以調(diào)整R，C的值，得到需要的振蕩頻率。

該選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率特性為：

根據(jù)以上各關(guān)系式以及電路的起振條件，可以確定放大電路反饋回路中R1和R2，R3的比值。

3.2 功率放大電路設(shè)計(jì)

功率放大電路采用PA141作為放大器，構(gòu)成類似橋式的驅(qū)動(dòng)電路，來驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷換能器。具體電路如圖4所示。

PAl41是“APEX”公司推出的8腳高壓單片集成的MOSFET運(yùn)算放大器，它具有工作電壓高(350 V)、靜態(tài)電流小、輸出電流大(峰值120 mA)等優(yōu)點(diǎn)。PAl41內(nèi)部的輸入保護(hù)電路避免了過高的共模、差模電壓及靜電泄放的影響，其安全工作區(qū)無二次擊穿限制，因此只要選擇合適的限流電阻就可驅(qū)動(dòng)不同的負(fù)載，并可通過PAl41的外部可調(diào)補(bǔ)償電路來選擇合適的帶寬和增益。使用該放大器不僅簡化了電路設(shè)計(jì)，而且可提高系統(tǒng)的可靠性。

在圖4中，運(yùn)放A1，A2構(gòu)成雙重補(bǔ)給的橋式電路，其中A1的增益為20 dB，A2的輸出與A1反相，從而構(gòu)成差動(dòng)式放大電路。若輸入正弦信號(hào)的電壓幅值為15 V，則施加在換能器兩端的驅(qū)動(dòng)電壓的變化范圍為±300 V。由于PAl41的輸出電流較低，為了得到較高的輸出功率，電路中接人兩個(gè)功率MOS管，以提升輸出電流，從而得到較高的輸出功率來驅(qū)動(dòng)換能器。

4 接收電路的設(shè)計(jì)

參量換能器的回波接收電路由前置放大電路、帶通濾波電路和末級放大電路組成，如圖5所示。

4.1 前置放大電路

前置放大電路采用具有低功耗、寬頻帶、高精度和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)的AD620儀用放大器，它是一種電阻可編程的放大器，其內(nèi)部是由三運(yùn)放組成的儀表放大器結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的電阻經(jīng)激光技術(shù)校準(zhǔn)，整個(gè)放大器具有很高的精度和共模抑制比。AD620的增益是由電阻RG決定的，使用1％的精密電阻，它就能提供精確的增益G。該放大器只需要改變一個(gè)管腳1，8之間的電阻值，就可以在1～1 000之間調(diào)整增益，其增益公式為：

可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，選擇合適的RG來確定電路的增益。