參量換能器原理和收發(fā)電路設計

參量換能器系統主要由PC機、超聲波發(fā)射電路、聲波接收電路、發(fā)射換能器、傳聲器和數據采集卡組成。本文擬建立如圖2所示的參量換能器實(shí)驗驗證系統。其中超聲換能器和傳聲器是用來(lái)實(shí)現超聲波信號發(fā)射和聲波信號接收的裝置；超聲波發(fā)射電路是用來(lái)產(chǎn)生一定頻率的載波和調制信號，通過(guò)調制、放大后驅動(dòng)換能器發(fā)射出超聲波信號；聲波接收電路是用來(lái)對回波信號進(jìn)行放大、濾波等調理，以便送人數據采集卡，然后由計算機進(jìn)行數據處理。

3 發(fā)射電路的設計

參量換能器的超聲波發(fā)射電路，主要包括信號產(chǎn)生電路和功率放大電路。信號產(chǎn)生電路主要是用來(lái)產(chǎn)生超聲波信號，功率放大電路主要是用來(lái)提高電路的發(fā)射功率從而驅動(dòng)換能器發(fā)射出超聲波信號。

3.1 信號產(chǎn)生電路

參量換能器采用正弦信號作為載波信號；調制信號可采用Ricker信號(由PC機產(chǎn)生)。正弦信號擬用LM741設計了一種RC橋式正弦波振蕩電路，如圖3所示。該電路采用電壓串聯(lián)負反饋，具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn)。圖中，D1，D2為二極管元件，其作用是限制輸出電壓的擺幅不斷增大，避免輸出波形失真。

放大電路由電阻R1和R2，R3以及Rd的等效電阻Rf構成的負反饋組成，其中Rd為二極管的內阻。放大電路的放大倍數為：

選頻網(wǎng)絡(luò )由RC組成的串并聯(lián)電路組成，其特征頻率為：

根據試驗需要，可以調整R，C的值，得到需要的振蕩頻率。

該選頻網(wǎng)絡(luò )的頻率特性為：

根據以上各關(guān)系式以及電路的起振條件，可以確定放大電路反饋回路中R1和R2，R3的比值。

3.2 功率放大電路設計

功率放大電路采用PA141作為放大器，構成類(lèi)似橋式的驅動(dòng)電路，來(lái)驅動(dòng)壓電陶瓷換能器。具體電路如圖4所示。

PAl41是“APEX”公司推出的8腳高壓?jiǎn)纹傻腗OSFET運算放大器，它具有工作電壓高(350 V)、靜態(tài)電流小、輸出電流大(峰值120 mA)等優(yōu)點(diǎn)。PAl41內部的輸入保護電路避免了過(guò)高的共模、差模電壓及靜電泄放的影響，其安全工作區無(wú)二次擊穿限制，因此只要選擇合適的限流電阻就可驅動(dòng)不同的負載，并可通過(guò)PAl41的外部可調補償電路來(lái)選擇合適的帶寬和增益。使用該放大器不僅簡(jiǎn)化了電路設計，而且可提高系統的可靠性。

在圖4中，運放A1，A2構成雙重補給的橋式電路，其中A1的增益為20 dB，A2的輸出與A1反相，從而構成差動(dòng)式放大電路。若輸入正弦信號的電壓幅值為15 V，則施加在換能器兩端的驅動(dòng)電壓的變化范圍為±300 V。由于PAl41的輸出電流較低，為了得到較高的輸出功率，電路中接人兩個(gè)功率MOS管，以提升輸出電流，從而得到較高的輸出功率來(lái)驅動(dòng)換能器。

4 接收電路的設計

參量換能器的回波接收電路由前置放大電路、帶通濾波電路和末級放大電路組成，如圖5所示。

4.1 前置放大電路

前置放大電路采用具有低功耗、寬頻帶、高精度和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)的AD620儀用放大器，它是一種電阻可編程的放大器，其內部是由三運放組成的儀表放大器結構，內部的電阻經(jīng)激光技術(shù)校準，整個(gè)放大器具有很高的精度和共模抑制比。AD620的增益是由電阻RG決定的，使用1％的精密電阻，它就能提供精確的增益G。該放大器只需要改變一個(gè)管腳1，8之間的電阻值，就可以在1～1 000之間調整增益，其增益公式為：

可根據實(shí)驗需要，選擇合適的RG來(lái)確定電路的增益。