一種新型多探頭雙頻超聲波接收電路的設(shè)計(jì)方案

1.引言

現(xiàn)代漁業(yè)主要利用探魚器來探測(cè)水下魚類資源的分布，提高捕魚業(yè)的產(chǎn)量。探魚器利用的就是超聲波探測(cè)的原理，由超聲波探頭根據(jù)需求發(fā)射出相應(yīng)頻率的超聲波，超聲波在遇到水中不同障礙物后反射回來，被探頭接收。根據(jù)對(duì)反射數(shù)據(jù)的分析，最終得到該水域的信息。隨著探魚器的發(fā)展，為了探測(cè)更多更詳細(xì)的水域信息，大角度多頻率探測(cè)為了發(fā)展的趨勢(shì)。所以增加超聲波探測(cè)角度一般有兩種方式，單探頭的機(jī)械回掃探測(cè)和多個(gè)探頭探測(cè)。由于單探頭的機(jī)械回掃電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，且探測(cè)間隔受到機(jī)械回掃速度的限制，所以一般采用多探頭的方式。傳統(tǒng)多探頭接收電路由多個(gè)獨(dú)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jí)放大電路，開關(guān)切換電路，帶通濾波電路和后級(jí)放大電路四個(gè)部分組成。信號(hào)經(jīng)過獨(dú)立的前級(jí)放大電路初步放大信號(hào)后，由模擬開關(guān)組成的開關(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(jí)放大電路放大，轉(zhuǎn)化為DSPIC芯片的AD模塊適合的電壓范圍。

3.具體電路設(shè)計(jì)

3.1 前級(jí)放大電路

前級(jí)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(dá)到隔離目的。當(dāng)發(fā)射的時(shí)候，高壓脈沖信號(hào)將直接通過二極管對(duì)地放電，二極管等效為短路，不會(huì)燒壞接收電路。當(dāng)探頭接收的時(shí)候，微小的信號(hào)無法使二極管導(dǎo)通，相當(dāng)與斷路，微小信號(hào)由后續(xù)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(fù)反饋電阻，起到穩(wěn)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(jù)公式1可計(jì)算信號(hào)增益Av約等于61.6.

3.2 開關(guān)切換電路

開關(guān)切換電路由4066模擬開關(guān)組成，由DSPIC芯片引腳控制開關(guān)的開合。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，然后開始接收。

模擬開關(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(jí)放大電路，由于后級(jí)出放大電路的硬件成本較高，該方式大大節(jié)約了電路成本。路徑切換原理如圖2所示：

值得注意的是，模擬開關(guān)切換后需要一段時(shí)間電路才能重新穩(wěn)定，所以在這段時(shí)間內(nèi)不適合接收信號(hào)。根據(jù)實(shí)際測(cè)量，本接收電路在開關(guān)切換后需要10毫秒才能重新穩(wěn)定。

3.3 帶通濾波電路

帶通濾波電路是由運(yùn)放構(gòu)成的有源帶通濾波器兩級(jí)級(jí)聯(lián)而成，單級(jí)且中心頻率為76KHz的電路及其響應(yīng)曲線如圖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(yīng)該是常用的值，所以設(shè)計(jì)出來的濾波器的中心頻率跟預(yù)期的中心頻率存在一定誤差。根據(jù)公式2計(jì)算，當(dāng)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(dāng)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(duì)誤差均遠(yuǎn)小于各自帶寬，所以認(rèn)為上述電路參數(shù)取值是合理的。兩級(jí)級(jí)聯(lián)后中心頻率不變，電壓增益為單級(jí)的平方。

3.4 后級(jí)放大電路

由于超聲波接收信號(hào)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(shè)計(jì)了以對(duì)數(shù)放大器和運(yùn)放組成的后級(jí)放大電路，如圖4所示。當(dāng)輸入信號(hào)弱時(shí)，它相當(dāng)于一個(gè)線性放大器，增益較大。當(dāng)輸入信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，它變成對(duì)數(shù)放大器，增益隨輸入信號(hào)的增加而減小。對(duì)數(shù)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AD8310對(duì)數(shù)放大器，原先的高頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l的原信號(hào)包絡(luò)。

經(jīng)過對(duì)數(shù)放大器的信號(hào)輸入給同相輸入組態(tài)的運(yùn)算放大器，進(jìn)行最后信號(hào)幅度調(diào)整。改變反饋電阻的阻值，可以改變?cè)?strong>放大電路的增益，具體要求是最終輸出到AD引腳的信號(hào)的最大幅度值應(yīng)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(diào)整反饋電阻，使最終信號(hào)的最大幅度約為3V.

4.電路驗(yàn)證

電路的實(shí)測(cè)輸出波形如圖5所示，在電路接收到微弱的反射信號(hào)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，滿足預(yù)先的設(shè)計(jì)要求。

5.結(jié)束語

本方案中創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種多探頭雙頻超聲波接收電路，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(kuò)展性，為多探頭多頻率的超聲波應(yīng)用提供了一種新的可行方案。