一種新型多探頭雙頻超聲波接收電路的設計方案

1.引言

現代漁業(yè)主要利用探魚(yú)器來(lái)探測水下魚(yú)類(lèi)資源的分布，提高捕魚(yú)業(yè)的產(chǎn)量。探魚(yú)器利用的就是超聲波探測的原理，由超聲波探頭根據需求發(fā)射出相應頻率的超聲波，超聲波在遇到水中不同障礙物后反射回來(lái)，被探頭接收。根據對反射數據的分析，最終得到該水域的信息。隨著(zhù)探魚(yú)器的發(fā)展，為了探測更多更詳細的水域信息，大角度多頻率探測為了發(fā)展的趨勢。所以增加超聲波探測角度一般有兩種方式，單探頭的機械回掃探測和多個(gè)探頭探測。由于單探頭的機械回掃電路設計復雜，且探測間隔受到機械回掃速度的限制，所以一般采用多探頭的方式。傳統多探頭接收電路由多個(gè)獨立的單探頭接收電路組成，且只能接收一種頻率的超聲波，硬件體積龐大，成本高昂且效率低下。本文以三個(gè)雙頻探頭為例子，設計了一種新的多探頭雙頻超聲波接收電路。

2.整體電路概述

本設計采用了三個(gè)雙頻超聲波探頭分時(shí)切換接收的新方法，接收電路主要由前級放大電路，開(kāi)關(guān)切換電路，帶通濾波電路和后級放大電路四個(gè)部分組成。信號經(jīng)過(guò)獨立的前級放大電路初步放大信號后，由模擬開(kāi)關(guān)組成的開(kāi)關(guān)切換電路切換至所需的帶通濾波電路進(jìn)行濾波放大，最后再經(jīng)后級放大電路放大，轉化為DSPIC芯片的AD模塊適合的電壓范圍。

3.具體電路設計

3.1 前級放大電路

前級放大電路的功能是隔離和初步放大。由于超聲波探頭工作在收發(fā)一體的方式，所以接收電路首先要經(jīng)過(guò)一個(gè)隔離電路。如圖1所示，我們采用兩個(gè)反向并聯(lián)的1N4148二極管D1、D2接地達到隔離目的。當發(fā)射的時(shí)候，高壓脈沖信號將直接通過(guò)二極管對地放電，二極管等效為短路，不會(huì )燒壞接收電路。當探頭接收的時(shí)候，微小的信號無(wú)法使二極管導通，相當與斷路，微小信號由后續接收電路放大接收。

放大部分采用9013三極管搭建的共發(fā)射極放大電路，R3、R5為負反饋電阻，起到穩定BJT的偏置點(diǎn)的作用。放大電路增益為：

令β=120,算得到gm約為0.03.此時(shí)根據公式1可計算信號增益Av約等于61.6.

3.2 開(kāi)關(guān)切換電路

開(kāi)關(guān)切換電路由4066模擬開(kāi)關(guān)組成，由DSPIC芯片引腳控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)合。在發(fā)射電路發(fā)射超聲波脈沖后，電路進(jìn)入接收模式。

芯片控制模擬開(kāi)關(guān)選定將要接收的是三個(gè)探頭中的哪個(gè)，且接收的超聲波頻率為多少，然后開(kāi)始接收。

模擬開(kāi)關(guān)切換接收這一創(chuàng )新方式，使得多個(gè)超聲波探頭共享一套后級放大電路，由于后級出放大電路的硬件成本較高，該方式大大節約了電路成本。路徑切換原理如圖2所示：

值得注意的是，模擬開(kāi)關(guān)切換后需要一段時(shí)間電路才能重新穩定，所以在這段時(shí)間內不適合接收信號。根據實(shí)際測量，本接收電路在開(kāi)關(guān)切換后需要10毫秒才能重新穩定。

3.3 帶通濾波電路

帶通濾波電路是由運放構成的有源帶通濾波器兩級級聯(lián)而成，單級且中心頻率為76KHz的電路及其響應曲線(xiàn)如圖3所示：

中心頻率0 f 為：

考慮到電阻和電容的取值不能是任意值，而應該是常用的值，所以設計出來(lái)的濾波器的中心頻率跟預期的中心頻率存在一定誤差。根據公式2計算，當R0=R1取10K,R2取87K,C1=C2取100p的時(shí)候，電壓最大增益為4.35,中心頻率約為76.3KHz,帶寬為36.6KHz.當R0=R1取3.3K,R2取38K,C1=C2取100p的時(shí)候，電壓最大增益為5.76,中心頻率約為201KHz,帶寬為83.8KHz.由于兩個(gè)中心頻率的絕對誤差均遠小于各自帶寬，所以認為上述電路參數取值是合理的。兩級級聯(lián)后中心頻率不變，電壓增益為單級的平方。

3.4 后級放大電路

由于超聲波接收信號的變化幅度很大，從幾個(gè)微伏到幾個(gè)豪伏，為了充分利用芯片AD的電壓范圍，創(chuàng )新設計了以對數放大器和運放組成的后級放大電路，如圖4所示。當輸入信號弱時(shí)，它相當于一個(gè)線(xiàn)性放大器，增益較大。當輸入信號較強時(shí)，它變成對數放大器，增益隨輸入信號的增加而減小。對數放大器保證了超聲波接收電路有很寬的動(dòng)態(tài)范圍。經(jīng)過(guò)AD8310對數放大器，原先的高頻信號轉變?yōu)榈皖l的原信號包絡(luò )。

經(jīng)過(guò)對數放大器的信號輸入給同相輸入組態(tài)的運算放大器，進(jìn)行最后信號幅度調整。改變反饋電阻的阻值，可以改變該放大電路的增益，具體要求是最終輸出到AD引腳的信號的最大幅度值應該略小于芯片AD的范圍。由于DSPIC芯片的AD范圍為0-3.3V,在這里我們調整反饋電阻，使最終信號的最大幅度約為3V.

4.電路驗證

電路的實(shí)測輸出波形如圖5所示，在電路接收到微弱的反射信號的時(shí)候，超聲波探頭產(chǎn)生幾個(gè)微伏的電壓，經(jīng)本電路放大接收后，輸出電壓幅度約為3V,略小于3.3V的AD范圍，滿(mǎn)足預先的設計要求。

5.結束語(yǔ)

本方案中創(chuàng )新設計了一種多探頭雙頻超聲波接收電路，經(jīng)實(shí)驗驗證，能夠成功控制三個(gè)雙頻超聲波探頭正常工作。該電路成本低，簡(jiǎn)單高效，并具有良好的擴展性，為多探頭多頻率的超聲波應用提供了一種新的可行方案。