超聲換能器驅動(dòng)電路及回波接收電路的設計

隨著(zhù)我國汽車(chē)工業(yè)和高速公路事業(yè)的飛速發(fā)展，研制、開(kāi)發(fā)基于高性?xún)r(jià)比的超聲波測距技術(shù)的車(chē)輛防撞系統具有重要的社會(huì )與經(jīng)濟價(jià)值。

車(chē)輛防撞系統具有自動(dòng)探測前方障礙物、自動(dòng)減速或剎車(chē)的功能，是未來(lái)高級小汽車(chē)和載重車(chē)輛必備的安全行駛輔助裝置。日本、美國和歐洲等各大汽車(chē)公司都已投入了相當的人力、物力開(kāi)發(fā)在高級汽車(chē)上使用的防撞與安全預警系統，包括毫米波雷達、CCD攝像機、GPS和高檔微機等。據海外媒體報道，戴姆勒－克萊斯勒公司日前成功開(kāi)發(fā)出供商用車(chē)（尤指卡車(chē)）使用的電子剎車(chē)系統，它利用車(chē)載前視雷達感應器探測前方景物，由車(chē)載控制器處理這一感知信息而形成虛擬景象，由此來(lái)判斷當前路況是否需要啟動(dòng)自動(dòng)剎車(chē)裝置。這種新型剎車(chē)系統在未來(lái)的兩、三年內即可面市，預期價(jià)格為3745歐元[1]。顯然，就普通汽車(chē)而言，該自動(dòng)電子剎車(chē)裝置太昂貴。

超聲測距傳感器價(jià)格低廉，其性能幾乎不受光線(xiàn)、粉塵、煙霧、電磁干擾和有毒氣體的影響，而且使用方便。然而，常見(jiàn)的超聲測距儀的作用距離較短，一般均小于或等于10m，從而限制了它在汽車(chē)高速行駛時(shí)的使用性能。超聲測距儀的作用距離不僅僅依賴(lài)于高性能的超聲波探頭，而且與超聲波的發(fā)射與接收電路的機電能量轉換效率有關(guān)。本文主要研究一種高效的超聲換能器收發(fā)電路，以增大超聲測距儀的作用距離，使之能夠在未來(lái)的國產(chǎn)化汽車(chē)主動(dòng)防撞系統中得到應用。

1 超聲測距原理

諧振頻率高于20kHz的聲波被稱(chēng)為超聲波。超聲波為直線(xiàn)傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強。利用超聲波的這種性能就可制成超聲傳感器，或稱(chēng)為超聲換能器，它是一種既可以把電能轉化為聲能、又可以把聲能轉化為電能的器件或裝置。換能器在電脈沖激勵下可將電能轉換為機械能，向外發(fā)送超聲波；反之，當換能器處在接收狀態(tài)時(shí)，它可將聲能（機械能）轉換為電能。

最常用的超聲測距方法是回聲探測法。其工作原理是：使換能器向介質(zhì)發(fā)射聲脈沖，聲波遇到被測物體（目標）后必有反射回來(lái)的聲波（回波）作用于換能器上。若已知介質(zhì)的聲速為c，第一個(gè)回波到達的時(shí)刻與發(fā)射脈沖時(shí)刻的時(shí)間差為t，那么即可按式s=ct/2計算換能器與目標之間的距離，如圖1所示?？紤]到傳感器的成本與安裝的方便性，采用收發(fā)兼用型超聲波探頭，即實(shí)際距離d=s。

聲波的速度c與溫度T有關(guān)[2]。如果環(huán)境溫度變化顯著(zhù)，則必須考慮溫度補償問(wèn)題?？諝庵新曀倥c溫度的關(guān)系可表示為：

2 驅動(dòng)電路的設計

圖2所示的超聲頻驅動(dòng)電源用于激勵超聲換能器使之向外發(fā)送超聲波，超聲頻電源與超聲換能器儀器構成超聲發(fā)生器。

2.1 場(chǎng)效應管功率放大電路的設計

在此采用在超聲波發(fā)生器上應用較多的乙類(lèi)推挽放大電路。其特點(diǎn)是無(wú)激勵信號時(shí)，兩個(gè)功率管IRF120的靜態(tài)電流為零；而有激勵信號時(shí)，兩個(gè)功率管交替工作，各輸出半波信號，合起來(lái)形成一個(gè)完整的波形。

SN75732是雙通道與非門(mén)TTL/MOS專(zhuān)用接口器件，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、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5V直流電源，管腳5接直流電源VDD。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。只要適當選取電阻R1就可以確定MOSFET功率管IRF120的柵源電壓VGS，進(jìn)而確定功率管導通時(shí)的漏極電流ID；R用于限制漏極電流ID的大小，避免功率管導通瞬間產(chǎn)生過(guò)大的電流沖擊。當選通信號為低電平時(shí)，SN75732的兩個(gè)與非門(mén)均輸出低電平，功率管IRF120截止，發(fā)射電路不工作，而繼電器J處于接通狀態(tài)（與SIG1和SIG2接觸）；當選通信號為高電平時(shí)，超聲頻脈沖信號通過(guò)與非門(mén)HC00的邏輯變換后，使SN75732的兩個(gè)與非門(mén)交替輸出高電平，驅動(dòng)兩個(gè)功率管IRF120交替導通與截止（推挽放大），通過(guò)脈沖變壓器升壓輸出高振幅正弦波，換能器將獲得的能量以聲能形式輻射出去。此時(shí)，繼電器J處于常閉狀態(tài)（換能器接入驅動(dòng)電路的輸出端）。

要使非線(xiàn)性失真不明顯，其功率最大，負載應當是固定不變的。因此變壓器的另一作用是進(jìn)行耦合，將實(shí)際負載RL′變換成所期望的值RL，以實(shí)現阻抗匹配。如圖3所示，AB和BQ分別代表了ID和(VDD－VDSS)，因此△ABQ的面積就代表了工作在乙類(lèi)的互補對稱(chēng)電路輸出功率的大小?！鰽BQ的面積愈大，就表明輸出功率Po也愈大。IDm為流過(guò)功率管的最大電流，對應于圖中負載線(xiàn)AQ，其功率三角形面積最大，非線(xiàn)性失真不明顯。所以，最大功率的負載電阻應當是RL=(VDD-VDSS)/IDm。

場(chǎng)效應管IRF120采用電壓驅動(dòng)方式，與負載電流和安全工作區域無(wú)關(guān)，電路設計較為簡(jiǎn)單；對于開(kāi)關(guān)速度來(lái)說(shuō)，它同雙極型器件相比可大幅度提高開(kāi)關(guān)速度，溫度影響也??；而且它僅受管子功耗的限制，無(wú)二次擊穿的影響，因而在此代替功率晶體管作功率放大器件。

2.2 變壓器的設計

脈沖變壓器是超聲換能器驅動(dòng)電路中最重要的器件，它的用途是升高脈沖電壓信號，并使功率放大器的輸出阻抗與換能器的負載阻抗匹配。一般脈沖變壓器以變壓器的功率、原副邊電壓信號的幅值確定變壓器的尺寸和變比[3]；而超聲換能器驅動(dòng)用變壓器則主要以功率和原副邊電感及阻抗匹配確定變壓器的尺寸和變比。

2.2.1 變壓器工作頻率及輸入電壓脈寬的確定

脈沖變壓器的工作頻率取決于超聲換能器的工作頻率。在此選用fr=30kHz的換能器,其所對應的諧振電路等效阻抗RL′=450Ω。則半個(gè)周期內的電壓脈寬為：

其中，T為脈沖變壓器的工作周期。D是設計電路時(shí)的一個(gè)重要參數，它對主開(kāi)關(guān)元件、輸出變壓器和變換器效率等都有很大的影響。在此選D=0.9，則有Ton=15μs。

2.2.2 變壓器變比的確定及功率負荷的計算

由前面推導可知RL=(VDD-VDSS)/IDm時(shí)功放效率最大，取VDD=12V，考慮到車(chē)輛使用的蓄電池所能提供的最大電流有限，取IDm=5A，由功率管工作特性曲線(xiàn)可以查出VDSS=2V，得出RL=(12－2)/5=2Ω，所以變壓器變比為：

式中，Pout為換能器的工作功率；η為變壓器的效率，可取η=0.95；VAm為等效負載RL上的電壓幅度。將已知值代入(4)式得Pout≈24W。

２.２.３ 變壓器鐵心的選擇

鐵心是脈沖變壓器的重要組成部分。脈沖變壓器的體積、質(zhì)量等主要指標都由鐵心來(lái)確定。常用的鐵心材料有電工鋼、軟磁合金、軟磁鐵氧體、非晶態(tài)合金等。其中鐵氧體鐵心工藝性好，價(jià)格便宜，而且電阻率很高，確保在窄脈沖情況下能得到高的有效脈沖磁導率，要比冷軋電工鋼高十倍以上。對于推挽式電路，鐵心尺寸的選擇可參考下式：

式中，S為磁芯的有效截面積；Q為鐵心的窗口截面積，只有各繞組截面積之和小于鐵心的窗口面積，才能使鐵心窗口繞得下全部繞組；Bm為鐵心最大工作磁通密度，在此選取材料為3E25的鐵心，由該材料的B-H特性曲線(xiàn)查出Bm=250mT；KT為鐵心的填充系數，對于鐵氧體鐵心來(lái)講，KT=1；Ku為鐵心窗口的利用系數，與繞組導線(xiàn)直徑及繞制工藝水平有關(guān)，一般取0.1～0.5；J為導線(xiàn)允許的電流密度，一般取為3～5A/mm2。
將已知數值代入式(5)，計算得SQ=1403.5mm2。根據參考文獻[4]，可選取Philips公司生產(chǎn)的E25/10/6型號的鐵心，其有效面積S=38.4mm2。

2.2.4 變壓器初、次級繞組匝數的計算

變壓器初級繞組的匝數N1由下式確定：

將已知量代入，得N1=10。于是，由變壓器的變比N可求出變壓器次級繞組的匝數，即：

N2=N1×N=10×15=150。

各繞組導線(xiàn)的直徑可由下式計算:

式中，Ii為流經(jīng)繞組電流的有效值。最后校驗變壓器是否能繞下所要求的線(xiàn)圈匝數。
脈沖變壓器的很多參數是相互影響的，所以在制作變壓器時(shí)，要反復調試，以達到最佳的阻抗匹配和高的效率。變壓器的輸出(即超聲換能器上所加的電壓幅值)影響著(zhù)系統的測距范圍及精度，本系統中使用的變壓器副邊空載電壓可達300V。

3 接收電路的設計

由于此電路應用于汽車(chē)防撞系統中，一般車(chē)輛上只提供正電源，所以接收電路的設計采用單電源。它由前置放大電路、帶通濾波電路和后級放大電路組成。

3.1 前置放大電路

考慮到超聲換能器的輸出電阻比較大，因此前置放大器必須有足夠大的輸入阻抗。前置放大電路是一個(gè)由精密、高輸入阻抗儀表放大器AD623構成的差動(dòng)放大器。由于采用了收發(fā)同體傳感器，因而收發(fā)信號之間會(huì )產(chǎn)生干擾，較大的發(fā)送信號能量有可能直接進(jìn)入接收電路，它要比回波大得多，因此前級放大器會(huì )飽和，電路工作不穩定。為此，接收信號放大器的輸入端要接入一對互為反向的二極管進(jìn)行箝位，以保護后面的放大電路。

3.2 帶通濾波器

在此采用無(wú)限增益多路反饋型濾波電路，它是一個(gè)由賦以多路反饋的理論上具有無(wú)限增益的運算放大器構成的濾波電路。圖4所示是由單一運算放大器構成的無(wú)限增益多路反饋二階帶通濾波電路的基本結構。

濾波器參數為:

無(wú)限增益多路反饋型濾波電路由于沒(méi)有正反饋，故穩定性高。為計算方便，可先選定C1=C2=680pF，Ap=6，Q=3，由以上方程聯(lián)立得：R3=47kΩ，R1=47kΩ，R2=2kΩ。由于采用單電源供電，所以要在放大器正極抬高一個(gè)電平。在此用MC7805將電源電壓轉換成5V以提供偏置。濾波器的輸出再通過(guò)一級放大后接采集卡進(jìn)行A/D采樣。

4 實(shí)驗結果與結論

對前面設計的電路進(jìn)行了超聲測距實(shí)驗。此實(shí)驗應用NI公司的數據采集卡6024E采集數據。6024E是擁有模擬、數字、時(shí)鐘I/O口的高性能多功能板卡，采用的是PCI總線(xiàn)。最大采集速率為200kHz，使用DAQ-STC計數器芯片。包括三個(gè)定時(shí)器組，控制著(zhù)模擬輸入、模擬輸出和通用的計數/定時(shí)功能。用于通用計數/定時(shí)功能的是兩個(gè)24位計數器[5]。利用時(shí)鐘1發(fā)出控制信號，時(shí)鐘0產(chǎn)生30kHz的脈沖，作為驅動(dòng)電路的輸入信號。
發(fā)射的脈沖數應選擇合適，脈沖個(gè)數多時(shí)，發(fā)射換能器可以克服其振動(dòng)慣量而獲得充分的振動(dòng)，其它聲波模式影響較小，發(fā)射的超聲脈沖能量大；但此時(shí)測距的盲區也大（測距盲區指的是可以測量的最小距離），一般選擇由10～20個(gè)脈沖組成。

系統軟件采用LabView編程，圖5為相同環(huán)境中兩個(gè)電路的測量結果對比。

5(a)是以往電路在6米處的測量結果，幅值較小，測量過(guò)程中曾出現掉電現象，功率管發(fā)熱嚴重，這說(shuō)明功率消耗比較大。5(b)是本電路的測量結果?？梢钥闯?，本電路的測量距離明顯提高，而且管子基本沒(méi)有發(fā)熱現象，電源保持穩定?？梢?jiàn)，本電路的設計由于經(jīng)過(guò)較嚴格的推導，器件選擇合理，各參數得到優(yōu)化，改善了換能器與功放間的阻抗匹配，功放效率和機電轉換效率得到明顯提高。電路控制方便，性能表現良好，在距離9.5m處仍能得到較清晰的回波，使大范圍的超聲測距成為可能。