采用直接时差法的无线超声波风速风向仪设计

驱动信号的时序示意图如图2所示。由于超声波风速风向仪中的换能器需丁作于±100 V、频率200 kHz的方波驱动信号下，且单个换能器不能长时间连续工作以免发热量过大发生熔坏，故电路中控制信号"Conl_A"和"Conl_B"设定为每20 ms发出8个200kHz、占空比50％(不含死区时间)的同相位脉冲信号。为避免两个MOSFET同时导通造成±100V电源短路，再对两控制信号设定10％占空比的死区时间。

2.2 信号接收及处理电路

如图3所示，超声波信号的接收及处理电路由限幅电路、放大电路以及正弦脉冲转换电路构成，经该部分电路处理后的信号经隔离后进入MCU进行处理。

由于采用的超声波换能器为发射和接收共用，故接收电路的输入不仅包含换能器的回波信号，还包含±100 V的驱动信号。由于接收信号中存在±100 V的驱动信号，需对接收信号进行限幅处理，避免高压信号对后级电路造成危害。限幅电路由1个10 kΩ电阻和2个反向并联的肖特基二极管(正向导通电压为0.4 V)串联而成，可将±100 V信号限制为±0.4 V；而超声波换能器回波信号峰峰值为100 mV左右，限幅电路不会对其造成影响。

放大电路选用2个2N3904三极管，二者连接构成沃尔曼电路，并采用共射极放大的方式进行连接，通过电阻R1形成电压并联深度负反馈，稳定电路工作状态。通过调节2个三极管的外围电路参数，可使二者工作在合适的Q点，并将换能器回波信号放大为峰峰值接近5 V的正弦波。此时由于放大电路为5 V供电，±0.4 V驱动信号不会放大至峰峰值5 V以上，故不会对后级电路造成影响。

正弦脉冲转换电路由1个兼容CMOS电平的与门、两个外围电阻以及1个外围电容构成。电阻R2和R3对+5 V电源进行分压，使输入的正弦波钳位在+5 V和Vr(为R3电阻的分压值)之间，经CMOS逻辑与门处理后生成占空比50％的方波。处理后的方波信号，不仅含有接收信号也含有被限幅驱动信号，通过MCU软件方法对其进行分离。

3 测试及应用对比

对采用模拟开关的超声波风速风向仪收发电路进行测试，并与传统的采用脉冲变压器的收发电路进行对比，其驱动信号与接收信号的时序图如图4所示。其中，图4(c)、图4(e)分别为图4(a)中驱动信号和接收信号的放大图；图4(d)、图4(f)分别为图4(b)中驱动信号和接收信号的放大图。

如图4(a)所示，采用脉冲变压器的超声波风速风向仪驱动信号存在较大的脉冲尖峰。这是由脉冲变压器自身电感等因素造成的，如果脉冲尖峰较大超出换能器耐压值，将可能会损坏换能器。同时，脉冲变压器产生的电磁干扰造成在接收电路中形成与驱动信号同步的干扰信号，并且该干扰信号始终存在，可能影响MCU对接收信号的判断。将采用脉冲变压器驱动电路产生的驱动信号放大，得到图4(c)，由于脉冲变压器线圈中的电磁能量不能迅速释放，即使输入信号在8个脉冲后截止，驱动信号的尾部还存在线圈缓慢释放能量时产生的振荡。该振荡的影响直接在信号接收端反映出来，如图4(e)所示，接收到的信号也是慢慢衰减。

相比之下，采用由MOSFET搭建的模拟开关构成的驱动电路，其收发波形更为标准稳定，如图4(b)、(d)和(f)所示。采用模拟开关方式的驱动电路产生的驱动信号无脉冲尖峰，完全由控制信号控制产生，不存在能量释放问题，信号波形平整稳定，相应的接收信号波形中不存在图4(a)中的电磁干扰现象，且无多余振荡。

结语

介绍了一种基于直接时差法的超声波风速风向仪的设计方法。实践证明，该设计方法可行，相较于传统的利用脉冲变压器和A/D采样的方式，具有电磁干扰小、收发信号波形平稳、振荡小、杂波少的优点。