超声换能器驱动电路及回波接收电路的设计

于开关速度来说，它同双极型器件相比可大幅度提高开关速度，温度影响也小；而且它仅受管子功耗的限制，无二次击穿的影响，因而在此代替功率晶体管作功率放大器件。

2.2 变压器的设计

脉冲变压器是超声换能器驱动电路中最重要的器件，它的用途是升高脉冲电压信号，并使功率放大器的输出阻抗与换能器的负载阻抗匹配。一般脉冲变压器以变压器的功率、原副边电压信号的幅值确定变压器的尺寸和变比[3]；而超声换能器驱动用变压器则主要以功率和原副边电感及阻抗匹配确定变压器的尺寸和变比。

2.2.1 变压器工作频率及输入电压脉宽的确定

脉冲变压器的工作频率取决于超声换能器的工作频率。在此选用fr=30kHz的换能器,其所对应的谐振电路等效阻抗RL′=450Ω。则半个周期内的电压脉宽为：

其中，T为脉冲变压器的工作周期。D是设计电路时的一个重要参数，它对主开关元件、输出变压器和变换器效率等都有很大的影响。在此选D=0.9，则有Ton=15μs。

2.2.2 变压器变比的确定及功率负荷的计算

由前面推导可知RL=(VDD-VDSS)/IDm时功放效率最大，取VDD=12V，考虑到车辆使用的蓄电池所能提供的最大电流有限，取IDm=5A，由功率管工作特性曲线可以查出VDSS=2V，得出RL=(12－2)/5=2Ω，所以变压器变比为：

式中，Pout为换能器的工作功率；η为变压器的效率，可取η=0.95；VAm为等效负载RL上的电压幅度。将已知值代入(4)式得Pout≈24W。

２.２.３ 变压器铁心的选择

铁心是脉冲变压器的重要组成部分。脉冲变压器的体积、质量等主要指标都由铁心来确定。常用的铁心材料有电工钢、软磁合金、软磁铁氧体、非晶态合金等。其中铁氧体铁心工艺性好，价格便宜，而且电阻率很高，确保在窄脉冲情况下能得到高的有效脉冲磁导率，要比冷轧电工钢高十倍以上。对于推挽式电路，铁心尺寸的选择可参考下式：

式中，S为磁芯的有效截面积；Q为铁心的窗口截面积，只有各绕组截面积之和小于铁心的窗口面积，才能使铁心窗口绕得下全部绕组；Bm为铁心最大工作磁通密度，在此选取材料为3E25的铁心，由该材料的B-H特性曲线查出Bm=250mT；KT为铁心的填充系数，对于铁氧体铁心来讲，KT=1；Ku为铁心窗口的利用系数，与绕组导线直径及绕制工艺水平有关，一般取0.1～0.5；J为导线允许的电流密度，一般取为3～5A/mm2。
将已知数值代入式(5)，计算得SQ=1403.5mm2。根据参考文献[4]，可选取Philips公司生产的E25/10/6型号的铁心，其有效面积S=38.4mm2。

2.2.4 变压器初、次级绕组匝数的计算

变压器初级绕组的匝数N1由下式确定：

将已知量代入，得N1=10。于是，由变压器的变比N可求出变压器次级绕组的匝数，即：

N2=N1×N=10×15=150。

各绕组导线的直径可由下式计算:

式中，Ii为流经绕组电流的有效值。最后校验变压器是否能绕下所要求的线圈匝数。
脉冲变压器的很多参数是相互影响的，所以在制作变压器时，要反复调试，以达到最佳的阻抗匹配和高的效率。变压器的输出(即超声换能器上所加的电压幅值)影响着系统的测距范围及精度，本系统中使用的变压器副边空载电压可达300V。

3 接收电路的设计

由于此电路应用于汽车防撞系统中，一般车辆上只提供正电源，所以接收电路的设计采用单电源。它由前置放大电路、带通滤波电路和后级放大电路组成。

3.1 前置放大电路

考虑到超声换能器的输出电阻比较大，因此前置放大器必须有足够大的输入阻抗。前置放大电路是一个由精密、高输入阻抗仪表放大器AD623构成的差动放大器。由于采用了收发同体传感器，因而收发信号之间会产生干扰，较大的发送信号能量有可能直接进入接收电路，它要比回波大得多，因此前级放大器会饱和，电路工作不稳定。为此，接收信号放大器的输入端要接入一对互为反向的二极管进行箝位，以保护后面的放大电路。

3.2 带通滤波器

在此采用无限增益多路反馈型滤波电路，它是一个由赋以多路反馈的理论上具有无限增益的运算放大器构成的滤波电路。图4所示是由单一运算放大器构成的无限增益多路反馈二阶带通滤波电路的基本结构。

滤波器参数为:

无限增益多路反馈型滤波电路由于没有正反馈，故稳定性高。为计算方便，可先选定C1=C2=680pF，Ap=6，Q=3，由以上方程联立得：R3=47kΩ，R1=47kΩ，R2=2kΩ。由于采用单电源供电，所以要在放大器正极抬高一个电平。在此用MC7805将电源电压转换成5V以提供偏置。滤波器的输出再通过一级放大后接采集卡进行A/D采样。

4 实验结果与结论

对前面设计的电路进行了超声测距实验。此实验应用NI公司的数据采集卡6024E采集数据。6024E是拥有模拟、数字、时钟I/O口的高性能多功能板卡，采用的是PCI总线。最大采集速率为200kHz，使用DAQ-STC计数器芯片。包括三个定时器组，控制着模拟输入、模拟输出和通用的计数/定时功能。用于通用计数/定时功能的是两个24位计数器[5]。利用时钟1发出控制信号，时钟0产生30kHz的脉冲，作为驱动电路的输入信号。
发射的脉冲数应选择合适，脉冲个数多时，发射换能器可以克服其振动惯量而获得充分的振动，其它声波模式影响较小，发射的超声脉冲能量大；但此时测距的盲区也大（测距盲区指的是可以测量的最小距离），一般选择由10～20个脉冲组成。

系统软件采用LabView编程，图5为相同环境中两个电路的测量结果对比。