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超声波发射和接收电路

在本设计中，我们设计的发射和接收电路都是分别只有一个，通过继电器进行顺、逆流方向收发电路的切换，这样做既降低了成本，又消除了非对称性电路误差，且发射脉冲通过使用单独的继电器分别对发射和接收换能器进行控制，使换能器的发射和接收电路完全隔离，消除了发射信号对接收的影响。
4.2.1超声波发射电路
接收信号的大小和好坏直接取决于发射传感器的发射信号,由于使用收发共 用型超声换能器，所以除了选用性能优良的超声波传感器外，发射电路和前级信 号接收电路至关重要，它决定着整个系统的灵敏度和精度。
超声波测量最常用的换能器发射电路大体可分为三种类型：窄脉冲触发的宽带激励电路、调制脉冲谐振电路和单脉冲发射电路。从早先国内进口的日本超声波流量计来看，基本都采用的是窄脉冲驱动电路。这种电路在设计上一般是用一个极快速的电子开关通过对储能元件的放电来实现，这些开关器件通常为晶闸管或大功率场效应管（MOSFET）。由于需要输出激励信号的瞬时功率大，因此开关器件必须由直流高压供电，一般要达到几十到一百伏以上，这在电池供电的系统中无法实现；此外，开关瞬间会产生高压脉冲，对整个电路的抗干扰设计不利。而脉冲谐振电路设计起来比较简单，其基本方法是用振荡电路产生一个高频振荡，经过幅值和功率放大后接至换能器，使换能器发出超声波，确保高频振荡的频率与换能器固有频率一致，则可获得超声发射的最佳效果。谐振电路能够使用较低的电压产生较强的超声波发射，适合使用电池供电的系统，而且它能精确地控制发射信号，效率高。
在本设计中，超声发射电路采用了连续脉冲发射电路，它由脉冲发生、放大电路构成，具体电路连接如图17所示。单片机发出的方波信号经三极管放大和变压器升压，达到足够功率后推动换能器超声超声波，这里变压器的主要用途是升高脉冲电压和使振荡器的输出阻抗与负载（超声换能器）阻抗匹配，变压器与探头接成单端激励方式。

图17超声波发射电路
4.3.2 超声波接收电路
发射换能器发出超声波信号后，信号经过流体传播到接收换能器中间有杂 质和气泡等影响，强度不断减小，并且强度也不稳定。为了实现高精度的测量， 在信号到达检测电路前必须使信号稳定可靠，根据接收信号的实际情况，我们对 所设计的超声波接收电路主要由放大电路、滤波电路、自动控制增益电路、电压 比较电路等部分组成。
1) 放大电路
通常超声波换能器接收到的超声波信号是非常小的，只有几毫伏，而一般 ADC需要采样的信号的幅值为5V，所以必须对它进行放大。放大电路采用三级放大，第一级和第三级放大采用固定增益放大，完成信号的基准放大，第二级采用具有程控增益调整功能的芯片AD603来实现，这样当第一级和第三级确定后，可以通过调节 AD603 控制端的电压来调节整个放大电路的增益，使输出信号达到要求的幅值。
①　 高输入阻抗的前置放大电路
该电路的主要作用是对超声波换能器的接收信号进行阻抗匹配放大。超声波换能器的阻抗很大，一般在10 6Ω以上，普通的放大器很难与之匹配，只有 MOS 结构的放大器才有那么高的输入阻抗。所以，我们选择高输入阻抗运算放大器LF357，它采用 JFET组成差分输入级，其输入阻抗高达 10 12Ω。在设计中，LF357采用同相放大接法，这级的放大倍数是。其电路如图18所示：

图18 前置放大电路
②　 自动增益放大电路
由于超声波流量计测量管径的范围很大（几厘米～几米），而且管壁情况和流体介质也有很大差异，因此接收信号的幅值会有很大的不同（几毫伏～几百毫伏）如果仅采用普通的集成运算放大器，对超声波接收信号采用幅度鉴别的方式则可能出现误判的现象。为使放大后信号的幅值保持在同一数量级，要选用自动增益放大电路来放大信号。通常采用程控增益放大器来完成这一功能，其工作原理是将放大后接收信号的峰值采样保持下去，经 A/D 转换后去控制程控增益放大器的放大倍数，使输出保持稳定。使用程控增益放大器的不足是所用的器件较多，电路设计也较为复杂，而且其跳跃性的放大倍数可能会造成电路工作的不稳定。
本文采用美国ADI公司的AD603压控VGA芯片作为自动增益放大器。AD603 是一个低噪、90MHz 带宽增益可调的集成运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关系，压摆率为 275V/μs。管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在-11～+30dB 时的带宽为90Mhz，增益在+9～+41dB 时具有 9MHz 带宽，改变管脚间的连接电阻，可使增益处在上述范围内。该集成电路可应用于射频自动增益放大器、视频增益控制、A/D 转换量程扩展和信号测量系统。AD603 的外部结构图如图19所示：

图19 AD603引脚图
管脚 1：GPOS 增益控制电压正相输入端（加正电压增大增益）；
管脚 2：GNEG 增益控制电压反相输入端（加负电压增大增益）；
管脚 3：VINP 运放输入端；
管脚 4：COMM 运放接地端
管脚 5：FSBK 反馈网络连接端；
管脚 6：VENG 负供电电源端；
管脚 7：VOUT 运放输出端；
管脚 8：VPOS 正供电电源端

图20 AD603结构框图
AD603 的简化原理框图如图20所示，它由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。图中加在梯型网络输入端（VINP）的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调整与其自身电压值无关，而仅与其差值 VG有关，增益和电压的换算系数 25Mv/dB，即若VG的变化范围为1V，增益的变化范围为40dB，由于控制电压 GPOS/GNEG 端的输入电阻高达 50MΩ，因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。无源输入衰减器由一个可从0dB到-42.14dB 变化的衰减器组成，这个衰减器与固定增益放大器中的固定增益运放相连，由于该衰减器的存在，即使有大的输入，固定增益运放也不会受到冲击，而且还可以与运放构成负反馈确保增益的稳定性。衰减器包括7段R-2R梯形网络，每个节点依次衰减6.021dB，如图从0dB到-42.14dB。其衰减的程度受当VG的控制。当VOUT和FDBK两管脚的连接不同时，其放大器的增益范围也不一样，其频带宽度可以为：9MHz、45MHz、90MHz。
当AD603的脚5和脚7短接时，AD603的增益为40VG +10，这时的增益范围在 -10～+30dB；当脚5和脚7断开时，其增益为 40VG +30，这时的增益范围为 10～50dB。如果在5脚和7脚接上电阻，其增益范围将处于上述两者之间，比如当接一个2.15kΩ的电阻时，增益的变化范围为 40V G 。
在这里，我们在 AD603 的脚7和脚5接了一个电阻2.15kΩ的电阻，这样增益的变化范围为40VG，且信号的带宽大于90MHz。当VG的取值为V时，就可以实现0dB范围的变换，通过PWM反馈和固定电压0.5V的差动输入，达到自动增益调节的目的。
③　 第三级放大电路
末级放大电路的作用是将第二级放大输出的信号进一步放大，以满足信号检 测和鉴别电路的要求。我们选用具有高增益带宽的放大器NE5532N，其增益带宽积可达20MHZ，采用同相比例放大电路，其电路图见图21，选取为1K，为20K，为50K，电路的闭环电压增益。
2) 滤波电路
在超声波接收信号中，往往会掺杂一些干扰信号，在电路设计中，应尽可能 将这些干扰信号除去。但是要完全把干扰信号除掉是不可能的，我们只能将这些 干扰信号尽可能减小。
因为超声波信号的频率大致为1MHz，由运放和电容等器件构成的有源滤波器 的带宽一般较窄，通常不适用于高频范围，最大在几百千赫兹，且在这个频率附 近不易采用，而若采用专用集成的滤波电路造价又偏高，因此我们决定采用由电 感和电容组成的LC滤波器。
图21 第三级放大电路图

图22 滤波电路
如图22所示，由 L、C 组成并联谐振，将谐振频率设在1.5MHz，由L1、C1 以及L2、C2组成串联谐振，整个形成T型网路，实现了带通滤波。
3) 接收范围门
由于发射信号功率较大，发射信号通过电路和声路都可以耦合到接收电路上，影响接收信号的接收。所以可以采用范围门防止发射脉冲对接收信号的干扰。在设计中，接收电路并不是在超声波发射一开始就打开的，而是根据信号预期最早和最晚到达时间设置一个接收范围门。首先，根据声路长度来估计一个脉冲最早和最晚可能到达的时刻，在最早时间的0.6倍处打开接收电路，这样，一方面可以防止发射超声波直接耦合到接收换能器中，另一方面可以排除开关动作带来的干扰；然后，通过设置软件延时，在最晚到达时间的1.5倍处关闭接收电路。接收电路的开通和关闭可通过单片机的I/O口控制来实现。
4) 采样保持电路
超声波接收信号经过放大和滤波后，进入采样保持电路。采样保持电路对接 收到的超声波信号的第一个峰值进行采样，并将它保存下来。这样，就可以利用 A/D 转换器将采样到的信号转化为数字信号，供控制单元进行增益控制，保证测量的准确性。具体电路如图23所示：

图23 采样/保持电路图
经采样保持后的信号送到A/D转换器，A/D转换器选用TLC1543芯片，此芯片是CMOS、10位开关电容逐次逼近模数转换器，有11个模拟输入通道，内部固有的采样与保持，在整个温度范围内有较小的转换误差。TLC1543有三个输入端和一个三态输出端，即片选(CS)、输入/输出时钟(I/O CLOCK)、地址输入(ADDRESS)和数据输出(DATA OUT)，这样就和微处理器的串口有一个直接的4 线接口，从而可以实现与微处理器之间进行高速数据传输。经过A/D转换器得到的信号峰值电压数值通过串口送到微处理器保存起来，作为下一次测量时的控制电压参数值。
在每次进行测量之前，应该先根据上一次A/D转换器测得的电压值(第一次可以给出一个初始值)来调节第二级放大器增益控制端的电压。这个控制电压是由D/A转换器和电压调整电路构成的。
D/A转换器选用带有缓冲基准输入(高阻抗)的10位电压输出数模转换器( DAC) TLC5615，DAC具有基准电压两倍的输出电压范围，且DAC是电调变化的。器件使用简单，用单5V电源工作，功耗低，具有上电复位功能以确保可重复启动。器件的更新频率可以达到1.2MHZ，典型建立时间为12.Sμs，并且在温度范围内保持单调性。CPU 根据上一次A/D转换器测得的电压值计算出本次测量时D/A 转换器应该补偿的电压值，通过与TLC5615的串口将数据传送给D/A转换器，然后D/A转换器将其转换为模拟电压输出。这个电压经过电阻分压后在运算放大器的同相端产生一个电压，再经过运算放大器放大输出，这样就得到了 AD603增益控制端的电压，从而起到调节放大电路增益的目的，实现信号放大的自动增益控制。
5) 电压比较电路
正确地确定超声波接收信号的到达时刻是整个电路中一个很关键的地方，它直接影响到超声波传播时间的测量精度。在这里，我们采用了电压比较电路对接收到的信号进行有效性检验，利用设置一个有效信号检测门槛对信号的过零点、处进行检测。电路主要由高精度的过零比较器MAX913和高速双路电压比较器MAX902组成。由过零比较器可得到过零点信号；由双路电压比较器可得到过+0.2V 和-0.2V 信号，这三个输出信号最后都送到单片机进行逻辑控制。其电路见图24所示：

图24 电压比较电路

图24 电压比较电路
6) 切换控制电路
该部分的作用是用来完成两个超声波探头和发射、接收电路的切换的。作为对模拟信号的切换，可以有以下两个方案：
①　 采用模拟开关。模拟开关的开关频率高，对信号的影响比较小，但由于切换的双方是接收到的微弱的超声信号和用于发射的高压信号，难以找到既能够承受高压又能使得传输的微弱信号失真较小的芯片；
②　 用继电器进行切换。当信号接通后，由于继电器实际上就是导线，所以不存在信号失真的现象，并且还能完成信号的隔离。但继电器的开关频率有限，而且有一定的总开关次数限制，一般在100万次；
鉴于以上原因，我们暂时选用了继电器方案，选择2个直流电压控制的固态继电器实现换能器的发射、接收转换。在实际电路中，我们采用了74LS138来对从单片机送达的控制信号进行译码，决定该接通哪一个继电器。例如，如果接通继电器 1，因为继电器1连接着换能器T1和T2，其中T1与发射电路相连，而T2与接收电路相连，这样T1就成为了发射换能器，T2成为接收换能器，这时通过继电器的“导通”和“关闭”，就决定了换能器的状态，所以继电器起到了“收发切换开关”的作用。一般的数字电路的输出是不足以驱动固态继电器的，为此，我们还选用了74LS06通过上拉电阻来为继电器提供足够的电流来对其进行操作