參量換能器原理和收發(fā)電路設計

4.2 帶通濾波放大電路

帶通濾波器是用高阻抗運算放大器(TL082)和RC阻容元件構成的放大器和有源帶通濾波器。

二階有源帶通濾波器的傳遞函數為：

式中，ω0為帶通濾波器的中心角頻率，ω0=2πf0，(f0=8 kHz)；Q為品質(zhì)因素；A為濾波器的增益。若BW為帶寬，則有Q=f0／BW，濾波器的參數滿(mǎn)足如下關(guān)系：

當所需帶寬為BW=4 kHz，增益A=5，C1=C2時(shí)，則將已知數值代入上式，計算得：若C1=C2=681 pF，則R1=11.7 kΩ，R2=19.5 kΩ，Rf=117 kΩ。

末級放大電路是由普通的反向運算放大器和電阻元件構成。通過(guò)調節電位器來(lái)改變放大器的增益，使接收電路的輸出幅值滿(mǎn)足數據采集電路板NI6024的輸入要求。

5 供電電源設計

在設計的參量陣收發(fā)電路中需要土175 V，±15 V，±5 V等電源。對于高壓電源的設計，實(shí)驗中采用推挽式穩壓電源功率轉換電路，具體電路如圖6所示。

高壓電源設計中，由NE555組成的電路提供脈沖信號，SN75372集成芯片是雙通道與非門(mén)TTL／MOS專(zhuān)用接口電路，其中管腳2是兩個(gè)與非門(mén)公用的使能輸入端(高電平有效)，管腳1／7和管腳3／6分別是兩個(gè)與非門(mén)的輸入／輸出端；管腳4是數字地；管腳8接5 V直流電源，管腳5接15 V直流電源。利用該接口電路，就可以直接用TTL電平來(lái)驅動(dòng)MOSFET功率管。R4與R5構成分壓電路，用來(lái)確定MOSFET功率管IRF520的柵源電壓VGS，進(jìn)而控制功率管導通時(shí)的漏極電流ID；RS是限流電阻，用于限制漏級電流ID的大小，它可以使功率管導通時(shí)的最大漏級電流IM基本恒定，避免功率管導通瞬間過(guò)大的電流沖擊。該電路通過(guò)變壓器輸出后，將橋式整流電路變壓器副邊中點(diǎn)接地，再接上濾波電容，并且兩個(gè)電容的中點(diǎn)接地，可以得到較高的正、負直流輸出電壓，滿(mǎn)足實(shí)驗中高壓電源的需求。

另外，對于±15 V和±5 V電源，可以利用已有的24 V穩壓電源，通過(guò)三端穩壓集成電路模塊78和79系列得到所需要的直流電壓。

6 結 語(yǔ)

以上介紹了參量換能器的工作原理和收發(fā)電路的設計。對于實(shí)現參量陣差頻信號的發(fā)射與接收，實(shí)際工作中還有兩個(gè)需要注意的問(wèn)題：

(1)實(shí)現聲學(xué)參量陣，要求原波信號有較高的聲源級，尤其在空氣中由于非線(xiàn)性效應較弱，對聲源級的要求也更高，這也增大發(fā)射器的功率。

(2)參量換能器的轉換效率較低，一般很難超過(guò)1％。如何提高參量換能器的效率，仍是一個(gè)值得探索的研究課題。

下一步工作是在實(shí)驗室中實(shí)現參量陣超聲波的發(fā)射和聲波的接收，并且在空氣中和水下驗證參量陣的性能指標，其中還要注意換能器在空氣和水下的阻抗率匹配問(wèn)題。