1、多探頭雙頻超聲波接收電路設(shè)計(jì)【摘要】該文創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種多個(gè)雙頻超聲波探頭的超聲波接收電路,適用于海洋魚類 資源探測(cè)等需要用到多個(gè)超聲波探頭的場(chǎng)合。該接收電路由前級(jí)放大電路,開關(guān)切換電路, 帶通濾波電路和后級(jí)放大電路組成。DSPIC單片機(jī)負(fù)責(zé)控制，接收電路多對(duì)一分時(shí)切換。 采用了收發(fā)隔離電路，使得超聲波探頭可以工作在收發(fā)一體的工作方式，有效的節(jié)約了電路 和探頭的成本。【關(guān)鍵詞】超聲波；發(fā)射接收電路；雙頻；多探頭Abstract : That paper provides a innovative design of Multi-probe and Dual Frequency ultrasoni

2、c Receiving circuit r suitable for marine fish resources detection which need to use multiple ultrasonic probe and so on.The receiving circuit consists of pre-amplifier circuit fswitch circuit rthe band-pass filter circuit and the post-stage amplifier circuit.The DSPIC MCU is responsible for con tro

3、lling the circuit and the receiving circuit switched by time.That design use an isolation circuit f so that the ultrasonic probe can operate in the transceiver mode , effectively saving the cost of the circuit and probeKey words : Ultrasonic ; Transmitting and receiving circuit ; Dual Frequency ; Mu

4、lti-probe1引言現(xiàn)代漁業(yè)主要利用探魚器來探測(cè)水下魚類資源的分布，提高捕魚業(yè)的產(chǎn)呈。探魚器利用的就 是超聲波探測(cè)的原理，由超聲波探頭根據(jù)需求發(fā)射出相應(yīng)頻率的超聲波，超聲波在遇到水中 不同障礙物后反射回來,被探頭接收。根據(jù)對(duì)反射數(shù)據(jù)的分析,最終得到該水域的信息。隨 著探魚器的發(fā)展,為了探測(cè)更多更詳細(xì)的水域信息，大角度多頻率探測(cè)為了發(fā)展的趨勢(shì)。所 以增加超聲波探測(cè)角度一般有兩種方式，單探頭的機(jī)械回掃探測(cè)和多個(gè)探頭探測(cè)。由于單探 頭的機(jī)械回掃電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，且探測(cè)間隔受到機(jī)械回掃速度的限制，所以一般采用多探頭的 方式。傳統(tǒng)多探頭接收電路由多個(gè)獨(dú)立的單探頭接收電路組成，且只能接收一種頻率的超聲 波

5、，硬件體積龐大,成本高昂且效率低下。本文以三個(gè)雙頻探頭為例子，設(shè)計(jì)了一種新的多 探頭雙頻超聲波接收電路。2整體電路概述本設(shè)計(jì)采用了三個(gè)雙頻超聲波探頭分時(shí)切換接收的新方法，接收電路主要由前級(jí)放大電路， 開關(guān)切換電路，帶通濾波電路和后級(jí)放大電路四個(gè)部分組成。信號(hào)經(jīng)過獨(dú)立的前級(jí)放大電路 初步放大信號(hào)后，由模擬開關(guān)組成的開關(guān)切換電路切換至所需的帶通濾波電路進(jìn)行濾波放 大，最后再經(jīng)后級(jí)放大電路放大，轉(zhuǎn)化為DSPIC芯片的AD模塊適合的電壓范圍。圖1前級(jí)放大電路3具體電路設(shè)計(jì)3.1前級(jí)放大電路前級(jí)放大電路的功能是隔離和初步放大。由于超聲波探頭工作在收發(fā)一體的方式，所以接收 電路首先要經(jīng)過一個(gè)隔離電路。如圖

6、1所示，我們采用兩個(gè)反向并聯(lián)的1N4148二極管D1、 D2接地達(dá)到隔離目的。當(dāng)發(fā)射的時(shí)候,高壓脈沖信號(hào)將直接通過二極管對(duì)地放電，二極管 等效為短路,不會(huì)燒壞接收電路。當(dāng)探頭接收的時(shí)候,微小的信號(hào)無法使二極管導(dǎo)通,相當(dāng) 與斷路,微小信號(hào)由后續(xù)接收電路放大接收。放大部分采用9013三極管搭建的共發(fā)射極放大電路，R3、R5為負(fù)反饋電阻，起穩(wěn)走BJT 的偏置點(diǎn)的作用。放大電路增益為：(1)令p=120 ,算得到gm約為0.03。此時(shí)根據(jù)公式1可計(jì)算信號(hào)增益Av約等于61.6。3.2開關(guān)切換電路開關(guān)切換電路由4066模擬開關(guān)組成，由DSPIC芯片弓I腳控制開關(guān)的開合。在發(fā)射電路發(fā) 射超聲波脈沖后,電路

7、進(jìn)入接收模式。芯片控制模擬開關(guān)選走將要接收的是三個(gè)探頭中的哪 個(gè)，且接收的超聲波頻率為多少,然后開始接收。模擬開關(guān)切換接收這一創(chuàng)新方式，使得多個(gè)超聲波探頭共享一套后級(jí)放大電路，由于后級(jí)出放大電路的硬件成本較高,該方式大大節(jié)約了電路成本。路徑切換原理如圖2所示:圖2路徑切換原理圖值得注意的是，模擬開關(guān)切換后需要一段時(shí)間電路才能重新穩(wěn)走，所以在這段時(shí)間內(nèi)不適合 接收信號(hào)。根據(jù)實(shí)際測(cè)臺(tái),本接收電路在開關(guān)切換后需要10臺(tái)秒才能重新穩(wěn)走。3.3帶通濾波電路帶通濾波電路是由運(yùn)放構(gòu)成的有源帶通濾波器兩級(jí)級(jí)聯(lián)而成，單級(jí)且中心頻率為76KHZ的電路及具響應(yīng)曲線如圖3所示：圖3有源帶通濾波器中心頻率為：(2)考慮

8、到電阻和電容的取值不能是任意值，而應(yīng)該是常用的值，所以設(shè)計(jì)出來的濾波器的中心 頻率跟預(yù)期的中心頻率存在一走誤差。根據(jù)公式2計(jì)算，當(dāng)RO=R1取10K, R2取87K , C1=C2取100p的時(shí)候，電壓最大增益為4.35，中心頻率約為76.3KHZ，帶克為36.6KHZ。當(dāng)RO=R1取3.3K , R2取38K , C1=C2取100p的時(shí)候,電壓最大增益為5.76 ,中心頻率約為201KHZ ,帶克為83.8KHZ。由于兩個(gè)中心頻率的絕對(duì)誤差均遠(yuǎn)小于各自帶克，所 以認(rèn)為上述電路參數(shù)取值是合理的。兩級(jí)級(jí)聯(lián)后中心頻率不變，電壓增益為單級(jí)的平方。3.4薛放大電路由于超聲波接收信號(hào)的變化幅度很大，從

9、幾個(gè)微伏到幾個(gè)豪伏，為了充分利用芯片AD的電 壓范圍r創(chuàng)新設(shè)計(jì)了以對(duì)數(shù)放大器和運(yùn)放組成的后級(jí)放大電路，如圖4所示。當(dāng)輸入信號(hào) 弱時(shí)，它相當(dāng)于一個(gè)線性放大器，增益較大。當(dāng)輸入信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，它變成對(duì)數(shù)放大器，増益 隨輸入信號(hào)的增加而減小。對(duì)數(shù)放大器保證了超聲波接收電路有很克的動(dòng)態(tài)范圍。經(jīng)過 AD8310對(duì)數(shù)放大器，原先的高頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l的原信號(hào)包絡(luò)。經(jīng)過對(duì)數(shù)放大器的信號(hào)輸入給同相輸入組態(tài)的運(yùn)算放大器，進(jìn)行最后信號(hào)幅度調(diào)整。改變反 饋電阻的阻值，可以改變?cè)摲糯箅娐返脑鲆?具體要求是最終輸出到AD引腳的信號(hào)的最大 幅度值應(yīng)該略小于芯片AD的范圍。由于DSPIC芯片的AD范圍為0-3.3V ,在這里我們

10、調(diào) 整反饋電阻，使最終信號(hào)的最大幅度約為3V04 電路驗(yàn)證 電路的實(shí)測(cè)輸出波形如圖5所示r在電路接收到微弱的反射信號(hào)的時(shí)候f超聲波探頭產(chǎn)生 幾個(gè)微伏的電壓,經(jīng)本電路放大接收后，輸出電壓幅度約為3V ,略小于3.3V的AD范圍， 滿足預(yù)先的設(shè)計(jì)要求。5結(jié)束語本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種多探頭雙頻超聲波接收電路，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能夠成功控制三個(gè)雙頻超聲 波探頭正常工作。該電路成本低,簡(jiǎn)單高效，并具有良好的擴(kuò)展性,為多探頭多頻率的超聲 波應(yīng)用提供了一種新的可行方案。參考文獻(xiàn) 馮若超聲手冊(cè)M南京：南京大學(xué)出版社，1999 : 759-765.2馮國(guó)亮,于天瞑超聲波檢狽係統(tǒng)前端電路設(shè)計(jì)卩.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2012 , 32 ( 3 ):84-87.王杰.脈沖超聲波的發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì)J.傳感檢測(cè)及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，2001,10 : 48-51.4孫凌逸低壓電源動(dòng)的超聲波發(fā)身堆收電路設(shè)計(jì)J.儀表技術(shù)與傳感器,2010,10( 10): 77-79.5朱建峰，陳建輝，王