超声换能器驱动电路及其回波接收电路设计分析

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文章编号：2095－6835（2015）22－0079－02
超声换能器驱动电路及其回波接收电路设计分析
李 享
（佛山市顺德区美的厨房电器制造有限公司，广东 佛山 528000）
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/ki.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Q 1会将输出信号放大。

变压器的单端激励由驱动MOSFET 管Q 2构成，通过变压器与Q 2的接成完成阻抗匹配和升压工作；三极管Q 3和限流电阻R 6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f r 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：
T ONmax =T ×D max . （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T ONmax 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P out 确定时，变压器的功率负荷P out /η也可确定。

变压器的变比计算公式为：
N （2）
式（2）中：V DC 为电源的电压；V DSS 为场效应导通压降，1；'
L R 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，'
L R 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：
out r m T 2P SQ f B K J
η=
⋅⋅⋅⋅. （3） 式（3）中：S 为磁芯的有效截面积；Q 为铁芯窗口的截面积；B m 为铁芯工作的最大磁通密度；K T 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/mm 2。

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，
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所以，可以根据最大工作磁通密度计算 ，计算公式为：
41min ON max
1m 10V T N B S
⋅=
××. （4）
最大工作磁通密度B m 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N 2＝N １×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：
i d == （5） 式（5）中：I i 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R 1和R 2。

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R 3。

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f 0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：
450V 5445
11
2/22R R Q f A R R RC R R π+=
==，，--. （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，R 1和R 2用于三极管的接地部分，R 6和R 7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，V I 决定了V B 的变化，V I 小则V B 小，V I 大则V B 大。

要想使三极管形成回路，则V I 必须增大，进而导致V B 增大、三极管的C 内阻和E 内阻变小。

当V I 变小时，V B 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，V I 决定了C 与E 之间电阻的变化。

因此，将V I 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〕
Design and Analysis of Ultrasonic Transducer Driving Circuit and Its Echo Receiving Circuit
Li Xiang
Abstract: With the continuous development of the automotive industry, ultrasonic ranging technology has been widely used. Ultrasonic transducer is the key component of this technology, which can realize power conversion, and determines the final target of ultrasonic ranging system. By analyzing the working principle of ultrasonic transducer, the design of its driving circuit and echo receiving circuit is discussed in this paper. Key words: ultrasonic transducer, driving circuit, echo receiving circuit, ultrasonic ranging system
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