基于低壓電源的超聲波發(fā)射電路設(shè)計

1 超聲波檢測發(fā)射電路基本結(jié)構(gòu)
　　檢測電路的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,，主要由控制信號、隔離環(huán)節(jié),、驅(qū)動電路、RLC電路和直流高壓等部分組成?？刂菩盘枌?shí)現(xiàn)脈沖超聲波發(fā)射控制的功能。隔離電路用來防止發(fā)射電路可能對其它電路造成電磁干擾,，防止其它電路被燒壞,。脈沖信號通過功率絕緣柵場效應(yīng)管的高速關(guān)斷來產(chǎn)生，驅(qū)動功率絕緣柵場效應(yīng)管相當(dāng)于驅(qū)動帶容性負(fù)載的網(wǎng)絡(luò),，在高頻工作時電子開關(guān)的電氣特性對系統(tǒng)的性能有很大影響,，絕緣柵場效應(yīng)管電容的充、放電造成的損耗十分顯著,，為提高脈沖幅值需增強(qiáng)絕緣柵場效應(yīng)管的開關(guān)特性,，需要合理的驅(qū)動電路，常用的場效應(yīng)管驅(qū)動電路有CMOS緩沖器并聯(lián)驅(qū)動,、場效應(yīng)管對管驅(qū)動和雙極性三極管功率驅(qū)動3種形式[1],。RLC電路通過諧振產(chǎn)生高頻信號，通過匹配網(wǎng)絡(luò)來調(diào)諧使電路工作在換能器的諧振頻率,。直流高壓電源由直流逆變器或其它電源模塊來實(shí)現(xiàn),。
　　一般的直流高壓脈沖發(fā)射電路工作過程，其電路如圖2所示,。當(dāng)控制電平V為低電平,，開關(guān)管Q關(guān)斷時，電容C充電,，高壓電源通過漏極電阻R1對電容C充電,，由于充電過程在短時間內(nèi)完成，故R1,、C不可取值過大,，且C耐高壓。當(dāng)控制電平V為高電平時導(dǎo)通,，電容C通過R2和D2放電,，在探頭上產(chǎn)生負(fù)脈沖電壓,，激勵產(chǎn)生超聲信號[1-3]。

2 基于低壓電源的RLC串聯(lián)諧振超聲波發(fā)射電路設(shè)計
　　高壓窄帶脈沖的產(chǎn)生有兩種方案：第一種是用預(yù)先充電到高壓的電容迅速向換能器放電產(chǎn)生,；另一種是由儲能電感瞬時放電產(chǎn)生,。測試表明，要使裝置中換能器發(fā)射超聲波,，需要在其兩端加上百伏的瞬時高壓脈沖,。第一種方案中，需要外加幾百伏的直流高壓電源,。而第二種方案是利用儲能電感瞬時放電產(chǎn)生瞬時高壓脈沖,，只需要直流低壓供電就能達(dá)到要求?；诖讼敕?，我們選用儲能電感瞬時放電產(chǎn)生瞬時高壓，R1用電感L取代,，電源換為5V低壓電源,。其諧振電路如圖3所示。
　　此電路以功率開關(guān)管Q為開關(guān)元件,，電感L儲能形成觸發(fā)脈沖,，不需要提供直流高壓，經(jīng)過光電偶合器作為隔離器,，來減少電磁干擾,，防止燒壞其它電路。當(dāng)輸入到Q的脈沖為正時,，Q導(dǎo)通,，Q相當(dāng)于一個小電阻，與電阻R1,、電感L串聯(lián),，和低壓電源一起構(gòu)成回路，L中的電流快速上升進(jìn)行儲能,。當(dāng)輸入到Q的脈沖為負(fù)時,，Q的柵極置低，Q迅速關(guān)斷,，L,，C， R2組成諧振電路快速放電,，在電阻R2上形成高壓脈沖，可達(dá)到百伏電壓,，如圖4所示,，D1,，D2起單向開關(guān)作用，匹配網(wǎng)絡(luò)由可調(diào)電阻和電感并聯(lián)實(shí)現(xiàn),，通過調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)中的可調(diào)電阻來改變脈沖的幅度,，調(diào)諧匹配電感使其電路工作在諧振頻率上。經(jīng)過調(diào)諧匹配后測得加在探頭上的高壓窄帶脈沖如圖5所示

3 等效模型分析
　　場效應(yīng)管的導(dǎo)通,，關(guān)斷對應(yīng)于發(fā)射電路的充電和放電狀態(tài),，使發(fā)射電路重復(fù)交替工作在這兩種模式。
　　充電狀態(tài)原理分析：控制信號為高電平,，開關(guān)管導(dǎo)通時,，將Q視為理想開關(guān)，其導(dǎo)通電阻R0 ,，低壓電源V1與L,、R1、Q構(gòu)成回路,，L電阻為RL,，且流過電感L中的電流可以近似由下式表示：此時電感L上的儲能與換路時的電流平方成正比。
　　放電狀態(tài)原理分析：控制信號為低電平,，開關(guān)管關(guān)斷時,，L、C,、R2組成串聯(lián)諧振電路,，RLC零輸入響應(yīng), 等效電路如圖6所示，初始狀態(tài)如(2),，且電流不發(fā)生躍變,，據(jù)圖6得到方程（3）。
　　式（3）以 為未知量的RLC串聯(lián)電路放電的微分方程,，從電流表達(dá)式可以看出,，在整個過程中，波形將呈現(xiàn)衰減振蕩的狀態(tài),。根據(jù)（6）式可以得出： 即為電流的極值點(diǎn),。綜合上述分析要使電路產(chǎn)生高頻尖脈沖在電路參數(shù)選擇上，要合理選擇 參數(shù),，晶體管的開啟和響應(yīng)時間要短,，阻尼比 盡可能小，衰減因子 要大,，振蕩頻率 要高,。當(dāng)頻率匹配時探頭工作在最佳狀態(tài)[4-6]。

4 總結(jié)
　　超聲檢測發(fā)射電路以5V低壓電源供電,。RLC串聯(lián)諧振,，電感儲能產(chǎn)生高頻觸發(fā)脈沖,，電路不需要高壓直流電源供電，就能獲得理想的觸發(fā)信號,。并闡述了電路參數(shù)對脈沖信號的影響,。所設(shè)計的電路簡單、安全,、實(shí)用,，對檢測裝置的靈敏度和抗干擾能力有所改善。