超声换能器驱动电路及回波接收电路的设计

&@(*(58 是 双 通 道 与 非 门 AAB4CD& 专 用 接 口 器 件 !
其中!管脚 8 是两个与非门公用的使能输入端&高电平 有 效 ’ ! 管 脚 ,4( % 管 脚 ’49 分 别 是 两 个 与 非 门 的 输 入 4 输 出 端 ( 管 脚 ) 是 数 字 地 ( 管 脚 E 接 *F 直 流 电 源 ! 管 脚 * 接 直 流 电 源 )** # 利 用 该 接 口 电 路 就 可 以 直 接 用 AAB 电
! 超声测距原理
谐 振 频 率 高 于 0.123 的 声 波 被 称 为 超 声 波 $ 超 声 波 为 直 线 传 播 方 式 !频 率 越 高!绕 射 能 力 越 弱 !但 反 射 能 力 越强$ 利用超声波的这种性能就可制成超声传感器!或 称为超声换能器! 它是一种既可以把电能转化为声能% 又可以把声能转化为电能的器件或装置$ 换能器在电脉 冲激励下可将电能转换为机械能! 向外发送超声波(反 之!当 换能器 处在 接收状 态时!它可 将 声 能 &机 械 能’转 换为电能#
自动化与仪器仪表
超声换能器驱动电路及回波接收电路的设计
湖 南 长 沙 国 防 科 技 大 学 机 电 工 程 与 自 动 化 学 院 ! )!..(5 "
摘
简 盈 王跃科 潘仲明
要! 介绍了采用脉冲回波法进行超声测距的原理# 设计了一种高效率的超声换能器驱动电
路#使换 能器和 功放的 阻抗匹 配得 到改善 $ 另外还 设计了 一种 单电源 回波接 收电路 $ 本系 统主要 用于 车辆防 碰撞等 领域$ 从 实验结 果来 看#发射 效率和 接收灵 敏度 均较高 #回波效 果良好 #大大 提高了 超 声波探头的作用距离$ 关键词! 超声测距 脉冲变压器 阻抗匹配 推挽放大器
2@A 6 $2 $ " " 01
$" %
其 中 "2 为 脉 冲 变 压 器 的 工 作 周 期 & $ 是 设 计 电 路 时 的 一 个 重 要 参 数 "它 对 主 开 关 元 件 ’输 出 变 压 器 和 变 换 器 效 率 等 都 有 很 大 的 影 响 & 在 此 选 $ 6+BC " 则 有 2@A6!/"D & !"! "! 变 压 器 变 比 的 确 定 及 功 率 负 荷 的 计 算 由 前 面 推 导 可 知 !% 67 "$$ /"$** 3 9 #$. 时 功 放 效 率 最 大 " 取 "$$ 6!"E " 考 虑 到 车 辆 使 用 的 蓄 电 池 所 能 提 供 的 最 大 电 流 有 限 " 取 #$. 6/F " 由 功 率 管 工 作 特 性 曲 线 可 以 查 出
"$** 6"E " 得 出 !% 6 7!" & "59/6"! " 所 以 变 压 器 变 比 为 ( 46
! +() 的 面 积 就 代 表 了 工 作 在 乙 类 的 互 补 对 称 电 路 输
出 功 率 的 大 小 & ! &() 的 面 积 愈 大 " 就 表 明 输 出 功 率 ,也 愈 大 & #$. 为 流 过 功 率 管 的 最 大 电 流 " 对 应 于 图 中 负 载 线 +) " 其 功 率 三 角 形 面 积 最 大 " 非 线 性 失 真 不 明 显 & 所 以 " 最 大 功 率 的 负 载 电 阻 应 当 是 !% 6 7 "$$ /"$** 89 #$. &
随着我国汽车工业和高速公路事业的飞速发展!研 制 "开发 基于高 性价 比 的 超 声 波 测 距 技 术 的 车 辆 防 撞 系 统具有重要的社会与经济价值# 车辆防 撞系 统具有 自 动 探 测 前 方 障 碍 物 "自 动 减 速 或 刹 车 的 功 能 !是 未 来 高 级 小 汽 车 和 载 重 车 辆 必 备 的 安 全 行 驶辅 助装置 $ 日本 %美国和 欧洲 等各 大汽车 公司 都 已 投 入 了 相当 的人力 "物力 开发 在高级 汽车 上使用 的防 撞 与 安 全 预 警 系 统 ! 包 括 毫 米 波 雷 达 " ""# 摄 像 机 " $%& 和 高 档 微 机 等 $ 据 海 外 媒 体 报 道 !戴 姆 勒$克 莱 斯 勒 公 司 日 前 成 功 开 发 出 供 商 用 车 &尤 指 卡 车 ’使 用 的 电 子 刹 车 系 统 !它 利 用 车 载 前 视 雷 达 感 应 器 探 测 前 方 景 物 !由 车 载 控 制 器 处 理 这 一 感 知 信 息 而 形 成 虚 拟 景 象 !由 此 来 判 断 当 前 路 况 是 否 需 要 启动自动刹车装置$ 这种新型刹车系统在未来的两%三 年 内 即 可 面 市 ! 预 期 价 格 为 ’()* 欧 元 +,- $ 显 然 ! 就 普 通 汽 车 而 言 !该 自 动 电 子 刹 车 装 置 太 昂 贵 $ 超声测距传感器价格低廉! 其性能几乎不受光线% 粉尘%烟雾%电磁干扰和有毒气体的影响!而且使用方 便 $ 然而 !常见 的超 声测距 仪的 作用距 离较 短!一 般均小 于 或 等 于 !./ ! 从 而 限 制 了 它 在 汽 车 高 速 行 驶 时 的 使 用 性能$ 超声测距仪的作用距离不仅仅依赖于高性能的超 声波探 头!而 且与超 声 波 的 发 射 与 接 收 电 路 的 机 电 能 量 转换效率有关$ 本文主要研究一种高效的超声换能器收 发电路!以增 大超声 测距 仪的 作用距 离!使 之能够 在未 来的国产化汽车主动防撞系统中得到应用$
#$ ’
%@GH "01)’.*!*72*78*9
7(5
式 中 "* 为 磁 芯 的 有 效 截 面 积 #) 为 铁 心 的 窗 口 截 面 积"只有各绕 组截面 积之 和小于 铁心 的窗 口面积 "才能
0"
本 刊 邮 箱 $ !"#$%&’! ( &)* ( &%
!电子技术应用 " !""# 年第 !! 期
变压器的功率负荷为(
" " ,@GH 5 ! 6 +. 6 7 "$$ /"$** 5 " !% " !% "
"
!% 6 !%
"
"
?/+ 6!/ "
705
7?5
式 中 " ,@GH 为 换 能 器 的 工 作 功 率 # ! 为 变 压 器 的 效 率 " 可 取 ! 6 +BC/ # "+. 为 等 效 负 载 !% 上 的 电 压 幅 度 & 将 已 知 值 代 入 7?5 式 得 ,@GH # "?I & +(+ (, 变 压 器 铁 心 的 选 择 铁心是脉冲变压器的重要组成部分& 脉冲变压器的 体积’质 量等 主要 指 标 都 由 铁 心 来 确 定& 常 用 的 铁 心 材 料有 电工钢’软磁 合金’软 磁铁 氧体’非 晶 态 合 金 等& 其 中 铁氧 体铁 心工艺 性好 "价格便 宜"而 且电 阻 率 很 高 "确 保在窄脉冲情况下能得到高的有效脉冲磁导率"要比冷 轧电工钢高十倍以 上& 对于 推挽 式电 路"铁心 尺寸 的选
图 ! 超声测距原理图
最常用的超声测距方法是回声探测法# 其工作原理 是)使换 能器 向介质 发射 声脉 冲!声波 遇 到 被 测 物 体 &目 标’后 必有反 射回 来的声 波&回 波’作 用 于 换 能 器 上 # 若 已知介 质的 声速为 !!第一 个回 波到达 的时 刻与 发 射 脉 冲 时 刻 的 时 间 差 为 " ! 那 么 即 可 按 式 #$!" 40 计 算 换 能 器 与目标之间的距离!如图 ! 所示# 考虑到传感器的成本 与安装的方便性!采用收发兼用型超声波探头!即实际 距 离 %$& #
图 " 超声换能器驱动电路
则主要以功率和原副边电感及阻 抗匹配确定变压器的尺寸和变比!
平 来 驱 动 #$%&’( 功 率 管 ! 只 要 适 当 选 取 电 阻 !! 就 可 以 确 定 #$%&’( 功 率 管 )*&!"+ 的 栅 源 电 压 ",% " 进 而 确 定 功 率 管 导 通 时 的 漏 极 电 流 #$ # ! 用 于 限 制 漏 极 电 流 #$ 的 大 小 "避 免 功 率 管 导 通 瞬 间 产 生 过 大 的 电 流 冲 击 ! 当 选 通 信 号 为 低 电 平 时 " %-./.0" 的 两 个 与 非 门 均 输 出 低 电 平 " 功 率 管 )*&!"+ 截 止 " 发 射 电 路 不 工 作 " 而 继 电 器 1 处 于 接 通 状 态 $ 与 %),! 和 %)," 接 触 % # 当 选 通 信 号 为 高 电 平 时 " 超 声 频 脉 冲 信 号 通 过 与 非 门 23++ 的 逻 辑 变 换 后 " 使 %-./.0" 的 两 个 与 非 门 交 替 输 出 高 电 平 " 驱 动 两 个 功 率 管 )*&!"+ 交 替 导 通 与 截 止 $ 推 挽 放 大 % " 通 过 脉 冲变压器升压输出高振幅正弦波"换能器将获得的能量 以声能 形式 辐射 出去& 此 时"继 电器 1 处 于常 闭状 态 $换 能器接 入驱 动电路 的输 出端 %& 要使非线性失真不明显"其功率最大"负载应当是 固定不变的& 因此变压 器的另 一作 用是 进行耦 合"将 实 际 负 载 !% % 变 换 成 所 期 望 的 值 !% " 以 实 现 阻 抗 匹 配 & 如 图 0 所 示 " &’ 和 () 分 别 代 表 了 #$ 和 4 "$$ ! "$** 5 " 因 此
万方数据
自动化与仪器仪表
使 铁 心 窗 口 绕 得 下 全 部 绕 组 ! !" 为 铁 心 最 大 工 作 磁 通 密 度 " 在 此 选 取 材 料 为 "#$% 的 铁 心 " 由 该 材 料 的 & ’( 特 性 曲 线 查 出 !" )$%*+, ! #$ 为 铁 心 的 填 充 系 数 " 对 于 铁 氧 体 铁 心 来 讲 " #$ )- ! #% 为 铁 心 窗 口 的 利 用 系 数 " 与 绕 组 导 线 直 径 及 绕 制 工 艺 水 平 有 关 " 一 般 取 *.- $ *.% ! & 为 导 线 允 许 的 电 流 密 度 " 一 般 取 为 " $ %/0++$ # 将 已 知 数 值 代 入 式 1%2 " 计 算 得 ’( ) -3*" 4%++$ # 根 据 参 考 文 献 536 " 可 选 取 789:9;< 公 司 生 产 的 #$%=!>=? 型 号 的 铁 心 " 其 有 效 面 积 ’ )"@ 43++A #
图 0 电路工作特性曲线
择可参考下式(
场 效 应 管 )*&!"+ 采 用 电 压 驱 动 方 式 " 与 负 载 电 流 和 安全工作区域无关"电路设计较为简单#对于开关速度 来说" 它同双极型器件相 比可 大幅 度提高 开关 速度"温 度影响也小#而且 它仅 受管子 功耗 的限 制"无二 次击 穿
"
:, <
图 0 所示的超声频驱动电源用于激励超声换能器 使之向外发送超声波!超声频电源与超声换能器仪器构 成超声发生器#
"#! 场 效 应 管 功 率 放 大 电 路 的 设 计
在此采用在超声波发生器上应用较多的乙类推挽 放 大 电 路 # 其 特 点 是 无 激 励 信 号 时 ! 两 个 功 率 管 =>?,8. 的静态电流为零(而有激励信号时!两个功率管交替工 作!各输 出半 波信 号!合起 来形 成一个 完整 的波 形#
!电子技术应用 " !""# wenku.baidu.com第 !! 期
万方数据
欢迎网上投稿 !!!"#$%&$%"’& !!!"($%&$%"’)*+’&
5!
自动化与仪器仪表
的影响" 因而在此代替功率晶体 管作功率放大器件&
!"! 变 压 器 的 设 计
脉冲变压器是超声换能器驱 动电路中最重要的器件" 它的用 途是升高脉冲电压信号" 并使功 率放大器的输出阻抗与换能器的 负载阻抗匹配& 一般脉冲变压器 以变压器的功率’ 原副边电压信 号的幅值确定变压器的尺寸和变 比 : 0; # 而 超 声 换 能 器 驱 动 用 变 压 器
声 波 的 速 度 ’ 与 温 度 ( 有 关 + 0- # 如 果 环 境 温 度 变 化 显 著 !则 必 须 考 虑 温 度 补 偿 问 题 # 空 气 中 声 速 与 温 度 的 关系可表示为)
( 78(56 ,9 ! 55,6)7.69( :/4;< 8(56,9 " 驱动电路的设计 ! ! 55!6)*
!"! "# 变 压 器 工 作 频 率 及 输 入 电 压 脉 宽 的 确 定
脉冲变压器的工作频率取决于超声换能器的工作 频 率 ! 在 此 选 用 01 60+<2= 的 换 能 器 > 其 所 对 应 的 谐 振 电 路 等 效 阻 抗 !% % 6 ?/+! ! 则 半 个 周 期 内 的 电 压 脉 宽 为 (