基于Multisim的超聲波發(fā)射電路設計及仿真

0 引 言

隨著科技的進步，無損檢測技術越來越多地被應用于實 際生產和生活中。因為超聲波具有定向性好、能量集中，在傳 輸過程中衰減較小，反射能力較強等特點，不受光線、被測物 顏色等的影響，在惡劣環(huán)境下具有較強的適應能力，因此超聲 波技術是無損檢測技術中極具優(yōu)勢的一種。本文著重介紹了 利用高壓直流電源實現(xiàn)發(fā)送脈沖驅動信號的超聲波發(fā)射電路， 并利用 Multisim 軟件對電路進行了仿真驗證。

1 發(fā)射電路原理圖設計及仿真結果

1.1 電路設計 發(fā)射電路原理如圖 1 所示。

V2 為 IGBT 開關管 Q1提供的方波驅動信號。電路上電時， 當 MOS 管 Q1 沒有驅動信號到來時，Q1關斷，V1 高壓直流電 源通過電阻 R1、R2 和電容C1組成的回路對C1充電，充電完成后， C1 左側電勢約為 U1。當 Q1 的驅動信號為高電平時，Q1 開關 管導通，C1 左側相當于接地。由于電容兩端的電勢差不能突變， 因此 C1 右側電勢將變?yōu)椋璘1，且隨著時間的推移逐漸衰減（電 容放電），產生一個高壓脈沖驅動信號，此脈沖驅動信號通過 匹配電阻 R3 和 R4 后被加在壓電換能器上，驅動換能器發(fā)出超 聲波，該方式屬于脈沖激勵方式。V2 驅動信號的占空比應根據 C1 進行調整，電容充放電時間需要根據發(fā)射的超聲波主頻率 來確定。其中，電容 C1 充放電的時間計算方法如下：

充放電時間為：τ=1/（ReqC1），其中：Req=R1+R2。

1.2 電路仿真結果

電路仿真結果如圖 2 所示。

圖2 中，通道 A為 V2 輸出的 Q1 方波驅動信號，其占空比 為 12%，方波幅值為 +5 V，頻率為 1 MHz。通道 B 為發(fā)射電 路輸出的脈沖驅動信號波形，其輸出信號幅值約為－ 450 V，此 電壓水平足以驅動許多換能器，頻率為1 MHz，且波形較為穩(wěn)定， 無其他雜波，對于超聲波信號的處理而言具有很大好處。由仿 真結果可知，文中所設計的超聲波發(fā)射電路符合要求。

2 結 語

本文設計的超聲波發(fā)射電路由高壓直流電源供電，電路 設計較為簡單，在 1 MHz 頻率下依然能夠發(fā)出較高的驅動電 壓，對解決高頻率下電壓限制問題具有很大的幫助。對此電路 進行了詳細的理論分析，并通過仿真軟件驗證了電路設計的正 確性。