VoL.27 No.4 陈先中等：低噪声回波测距系统的电路设计与系统分析 ·489· 2电路设计 C 21低噪声电路设计原理图 对于探头单发单收的超声波电路，考虑高低 压电路和高低频电路混合设计带来的电噪声干 U 扰，低噪声电路设计原理如图1 S3 图2超声波发射和接收时序图 Fig.2 Time sequence diagram of the ultrasonic emitter and re- ceiver 始高频振荡，原边振荡电压产生的激励信号经高 图1低噪声超声波收发电路原理图 频变压器副边，传递给高能储能元件2，经过时间 Fig.1 Scheme of the emitter and receiver in the ultrasonic circuit T,高能储能元件充电至预定值.充电电压幅值 with a lower noise 与能量储存单元的储存容量是由控制器C确定 设计电路中包含四个独立的回路单元 的，它与S1闭合的时间成正比 回路1设计为高频发射电路，为自激振荡控 当储能电压达到预定电压时，S1断开，停止 制方式，包括供电电源，自激振荡器单元1，高频 振荡.然后在时间T2开始时，S2提供一个振荡激 开关S1,变压器L.采用供电电源，供电电压为5 励信号，由储能元件2通过外激振荡器3向探头 V,通过高频开关S1和变压器回路耦合，可以间 提供振荡能量，发射时间为T,激励探头产生超 接控制回路2的大电流.采用高频变压器绕组， 声波发射信号，该激励频率与探头的固有频率 其体积小，能量转换效率高，自激振荡的时间由 相关，一般在声频范围内.激励的脉冲数目N为 控制器C确定. T∫形成稳定的激励后，有一个超声波的盲区等 回路2为感应充电回路，由变压器向高储能 待时间后，S1和S2断开，S3闭合，在预定的测量 元件2持续充电，充电时间与回路1自激振荡时 时间T,内，接收电路开始接收回波信号. 间相同.充电的幅值和能量由测量的距离和探头 当完成信号发射和接收处理后，完成一次测 有效负荷决定，应选尽可能低的电压幅值，保证 量周期.下一次的循环周期，再重新发射和接收 足够的驱动电压即可， 信号. 回路3为高能放电激励单元，开关$2通过外 图2中，高压储能元件可以由电感、电容或 激式振荡器3向探头提供持续的能量，此时激励 其他储能元件组成.开关S1的特征为高频开关 电压为短时可控的高压脉冲.开关$2可以用绝 元件，频率高低的选择与激励的效率、激励单元 缘场效应管作为开关，利用电感在开关瞬间开合 体积有关系，频率越高，则激励单元体积越小.开 的过程中电流保持不变的原理对探头进行高压 关$2的特征为中频开关元件，可以根据探头的 激励，通过调整电感参数及控制信号的频率，达 激励频率，选择$2的频率值，一般数值选择在该 到探头的共振频率，电感两端激励电压可以超过 探头的频率值附近.实践中可以灵活地采用可控 300V以上，激励探头后振幅可达1500V左右. 硅、高速功率三极管或场效应管，进行激励，可以 回路4为信号接收单元，开关S3采用低频周 达到预期的效果.开关S3的特征为一个低频开 期工作模式，周期性地将接收信号送入放大处理 关元件，可以采用模拟开关，控制接收的时间和 电路.控制器C采用单片机控制单元，根据采集 接收的区域.如CD4066,由于是低频工作元件， 回波模拟信号的幅值变化，分别反馈控制三个独 不会产生高频电磁干扰，因此接收信号无杂波和 立回路的开关， 电磁噪声的干扰. 22超声波发射和接收时序分析 本设计为三路隔离的电路单元组合，由于放 超声波发射和接收时序如图2 电回路1可以被开关彻底停止供电，理论上回路 在时间段T开始时，S1闭合，振荡回路1开 1和回路2的电噪声为“零噪声”，此时根据控制V UI . 2 7 N 0 . 4 陈先 中等 : 低噪 声 回 波测 距 系统 的 电路设计 与 系统 分析 一 4 8 9 - 2 电路 设 计 .2 1 低 噪声 电 路设 计 原理 图 对 于 探 头单 发单 收 的超 声波 电路 , 考 虑 高低 _ _ 了 5 1 竺}一刁 认 卜一一卜一 囚ō一ū 压 电路 和 高 低 频 电路 混 合 设 计 带 来 的 电 噪 声干 扰 , 低 噪声 电路 设计 原理 如 图 1 . 「 - - - - - - - 一侄丑一芍 - 一 飞 一 一寸洲一 j 二l I l l i i 二 十 色犯写勺暇万旦理 勺衬 L { 好’ 宁娜 L 图 2 超声 波发 射和接 收 时序图 F ig . Z T加 e s e q u e n e e d i a g ar m o f t h e u l t ar s o n i e e m i t e r a n d r e - C e 】V e r 图 1 低噪 声超 声波收 发 电路原 理图 F i.g l S e h e m e o f t h e e m i t e r a n d 代e e iv e r i n th e u lt ar , o n i c e icr u it w i th a 1 0 w e r n o is e 设计 电路 中包含 四个 独 立 的回 路 单元 . 回路 1 设计 为高 频发 射 电路 , 为 自激振 荡 控 制方 式 , 包 括 供 电电源 , 自激振 荡器 单 元 l , 高 频 开 关 lS , 变 压器 L . 采 用供 电 电源 , 供 电 电压 为 5 V , 通 过 高频 开 关 lS 和变 压 器 回路 祸 合 , 可 以间 接 控 制 回路 2 的 大 电流 . 采 用 高频 变 压器 绕 组 , 其体积 小 , 能量 转 换 效率 高 , 自激 振 荡 的时 间 由 控 制器 C 确 定 . 回路 2 为感应 充 电回路 , 由变 压器 向高储 能 元件 2 持 续 充 电 , 充 电时 间与 回路 1 自激 振 荡 时 间 相 同 . 充 电的幅值 和 能量 由测量 的距 离和探 头 有效 负荷 决定 , 应 选 尽 可 能低 的 电压 幅 值 , 保 证 足 够 的驱 动 电压 即可 . 回路 3 为 高能放 电激励 单 元 , 开 关 2S 通 过 外 激 式 振荡 器 3 向探 头提 供持 续 的 能量 , 此 时激励 电压 为短 时可 控 的 高压 脉 冲 . 开 关 s2 可 以用 绝 缘场 效应 管 作为 开 关 , 利 用 电感 在 开关 瞬 间开合 的过 程 中 电流 保 持 不 变 的原 理 对 探 头进 行 高压 激 励 . 通 过调 整 电感 参 数及 控 制 信号 的 频 率 , 达 到探 头 的共 振 频率 . 电感 两端 激励 电压 可 以超 过 3的 V 以上 , 激 励 探头 后 振 幅可 达 1 5 0 V 左 右 . 回路 4 为信 号接 收 单元 , 开关 3S 采用 低 频 周 期工 作模 式 , 周 期性 地将 接 收信 号送 入放 大 处理 电路 . 控 制器 C 采 用 单 片机 控 制 单元 , 根 据采 集 回波 模拟 信 号的 幅值变 化 , 分 别 反馈控 制 三个 独 立 . 回 路 的开 关 . :.2 2 超 声 波 发射 和接 收 时 序分 析 超 声波 发射 和 接 收 时序 如 图 .2 在 时间 段 不开始 时 , sl 闭合 , 振 荡 回路 1 开 始 高频 振 荡 , 原边振 荡 电压 产生 的激 励信 号经 高 频变 压器 副 边 , 传递 给高 能储 能元件 2 , 经 过 时间 厂 , 高 能储 能元 件 充 电至 预 定值 . 充 电 电压 幅 值 与 能量 储 存单 元 的储 存 容量 是 由控 制 器 C 确 定 的 , 它 与 lS 闭合 的时 间成 正 比 . 当储 能 电压 达 到预 定 电压 时 , sl 断开 , 停止 振 荡 . 然 后 在 时间 五开 始 时 , s2 提 供一个 振 荡激 励 信 号 , 由储 能 元件 2 通 过 外激振 荡器 3 向探 头 提 供振 荡 能 量 , 发 射 时 间 为乙 , 激 励探 头 产生 超 声 波发 射 信 号 , 该 激 励频 率了与探 头 的 固有频 率 相 关 , 一般 在 声频 范 围 内 . 激励 的脉冲 数 目N 为 兀 · f 形成 稳定 的激励 后 , 有 一个 超声 波 的盲 区 等 待 时 间后 , lS 和 5 2 断 开 , 3S 闭合 , 在 预 定 的测量 时 间兀 内 , 接 收 电路 开始 接 收 回波信 号 . 当完成 信 号发 射 和接 收 处理 后 , 完 成一 次测 量 周 期 . 下 一 次 的循 环 周期 , 再 重新 发射 和 接收 信 号 . 图 2 中 , 高压 储 能元 件 可 以由 电感 、 电容或 其 他储 能 元件 组 成 . 开关 lS 的特 征 为高频 开关 元件 , 频 率 高低 的选 择 与 激励 的效率 、 激励 单 元 体积 有 关系 , 频率 越 高 , 则激励 单 元体积 越 小 . 开 关 5 2 的特 征 为 中频 开 关元 件 , 可 以根据 探 头 的 激 励 频 率 , 选择 5 2 的频 率值 , 一般 数 值选 择 在 该 探 头 的频 率值 附近 . 实践 中可 以灵 活地采 用 可控 硅 、 高速功 率三 极管 或场 效应 管 , 进 行激励 , 可 以 达 到预 期 的效 果 . 开关 s3 的特 征 为一 个低 频 开 关元 件 , 可 以采 用模 拟 开 关 , 控 制接 收 的 时 间和 接 收 的区 域 . 如 C D 4 0 “ , 由于 是低 频 工作 元件 , 不 会产 生 高频 电磁 干扰 , 因此接 收信 号 无杂 波和 电磁 噪声 的 干扰 . 本 设计 一 为三 路 隔离 的 电路 单元 组合 , 由于 放 电回路 1 可 以被 开关 彻底 停 止供 电 , 理 论上 回 路 1 和 回路 2 的 电噪声 为 “ 零 噪声 ” , 此 时 根据 控制 只ù工 汽ù、 、 ! tr