低压电源的超声波发射电路设计

分享到:

  超声波的应用领域非常广阔,比如军事上的声纳技术,工业上的无损探伤、测距、测厚,生物医学上的诊断和手术,农业上的超声育种、超声培苗、超声催产等。

  在超声波应用领域中,超声波发射电路是系统中的关键部件。随着电子技术的发展和测量系统等在性能和精度方面的要求不断提高,检测仪器向高集成度、高灵敏度、低功耗及模块化方向发展。其中,超声发射电路是影响其性能的关键技术。超声发射电路的主要功能是用来产生不同形式的超声波,以满足实际需要。目前,超声波发射电路设计方法众多,其供电直流电压一般较高,以产生几十到几百伏的超声脉冲激发电信号。利用低的直流电压产生高的电压激发脉冲,不仅可以提高检测灵敏度,增加检测有效范围,提高检测信号的抗干扰能力,同时可以使得发射电路的体积减小,成本降低,便于仪器小型化。

  本文通过对现有超声波检测发射电路的研究的基础上,设计了一种简单、可靠、实用的发射电路。该电路以5V低压电源供电,RLC串联谐振产生高压脉冲信号,满足电路便携和安全性要求,改善了检测装置的灵敏度和抗干扰能力,取得了良好的效果。

  2、超声波检测发射电路基本结构

  检测电路的基本结构如图1所示,主要由控制信号、隔离环节、驱动电路、RLC电路和直流高压等部分组成。控制信号实现脉冲超声波发射控制的功能。隔离电路用来防止发射电路可能对其它电路造成电磁干扰,防止其它电路被烧坏。脉冲信号通过功率绝缘栅场效应管的高速关断来产生,驱动功率绝缘栅场效应管相当于驱动带容性负载的网络,在高频工作时电子开关的电气特性对系统的性能有很大影响,绝缘栅场效应管电容的充、放电造成的损耗十分显著,为提高脉冲幅值需增强绝缘栅场效应管的开关特性,需要合理的驱动电路,常用的场效应管驱动电路有CMOS缓冲器并联驱动、场效应管对管驱动和双极性三极管功率驱动3种形式[1]。RLC电路通过谐振产生高频信号,通过匹配网络来调谐使电路工作在换能器的谐振频率。直流高压电源由直流逆变器或其它电源模块来实现。

  一般的直流高压脉冲发射电路工作过程,其电路如图2所示。当控制电平V为低电平,开关管Q关断时,电容C充电,高压电源通过漏极电阻R1对电容C充电,由于充电过程在短时间内完成,故R1、C不可取值过大,且C耐高压。当控制电平V为高电平时导通,电容C通过R2和D2放电,在探头上产生负脉冲电压,激励产生超声信号[1-3]。

3、基于低压电源的RLC串联谐振超声波发射电路设计

  高压窄带脉冲的产生有两种方案:第一种是用预先充电到高压的电容迅速向换能器放电产生;另一种是由储能电感瞬时放电产生。测试表明,要使装置中换能器发射超声波,需要在其两端加上百伏的瞬时高压脉冲。第一种方案中,需要外加几百伏的直流高压电源。而第二种方案是利用储能电感瞬时放电产生瞬时高压脉冲,只需要直流低压供电就能达到要求。基于此想法,我们选用储能电感瞬时放电产生瞬时高压,R1用电感L取代,电源换为5V低压电源。其谐振电路如图3所示。

  此电路以功率开关管Q为开关元件,电感L储能形成触发脉冲,不需要提供直流高压,经过光电偶合器作为隔离器,来减少电磁干扰,防止烧坏其它电路。当输入到Q的脉冲为正时,Q导通,Q相当于一个小电阻,与电阻R1、电感L串联,和低压电源一起构成回路,L中的电流快速上升进行储能。当输入到Q的脉冲为负时,Q的栅极置低,Q迅速关断,L,C, R2组成谐振电路快速放电,在电阻R2上形成高压脉冲,可达到百伏电压,如图4所示,D1,D2起单向开关作用,匹配网络由可调电阻和电感并联实现,通过调节匹配网络中的可调电阻来改变脉冲的幅度,调谐匹配电感使其电路工作在谐振频率上。经过调谐匹配后测得加在探头上的高压窄带脉冲如图5所示

  4、等效模型分析

  场效应管的导通,关断对应于发射电路的充电和放电状态,使发射电路重复交替工作在这两种模式。

  充电状态原理分析:控制信号为高电平,开关管导通时,将Q视为理想开关,其导通电阻R0 ,低压电源V1与L、R1、Q构成回路,L电阻为RL,且流过电感L中的电流可以近似由下式表示:

  此时电感L上的储能与换路时的电流平方成正比。

  放电状态原理分析:控制信号为低电平,开关管关断时,L、C、R2组成串联谐振电路,RLC零输入响应, 等效电路如图6所示,初始状态如(2),且电流不发生跃变,据图6得到方程(3)。

式(3)以为未知量的RLC串联电路放电的微分方程,特征方程是

  从电流表达式可以看出,在整个过程中,波形将呈现衰减振荡的状态。根据(6)式可以得出:即为电流的极值点。综合上述分析要使电路产生高频尖脉冲在电路参数选择上,要合理选择参数,晶体管的开启和响应时间要短,阻尼比尽可能小,衰减因子要大,振荡频率要高。当频率匹配时探头工作在最佳状态[4-6]。

  5、总结

  超声检测发射电路以5V低压电源供电。RLC串联谐振,电感储能产生高频触发脉冲,电路不需要高压直流电源供电,就能获得理想的触发信号。并阐述了电路参数对脉冲信号的影响。所设计的电路简单、安全、实用,对检测装置的灵敏度和抗干扰能力有所改善。