參量換能器原理和收發電路設計

參量換能器系統主要由PC機、超聲波發射電路、聲波接收電路、發射換能器、傳聲器和數據采集卡組成。本文擬建立如圖2所示的參量換能器實驗驗證系統。其中超聲換能器和傳聲器是用來實現超聲波信號發射和聲波信號接收的裝置；超聲波發射電路是用來產生一定頻率的載波和調制信號，通過調制、放大后驅動換能器發射出超聲波信號；聲波接收電路是用來對回波信號進行放大、濾波等調理，以便送人數據采集卡，然后由計算機進行數據處理。

3 發射電路的設計

參量換能器的超聲波發射電路，主要包括信號產生電路和功率放大電路。信號產生電路主要是用來產生超聲波信號，功率放大電路主要是用來提高電路的發射功率從而驅動換能器發射出超聲波信號。

3.1 信號產生電路

參量換能器采用正弦信號作為載波信號；調制信號可采用Ricker信號(由PC機產生)。正弦信號擬用LM741設計了一種RC橋式正弦波振蕩電路，如圖3所示。該電路采用電壓串聯負反饋，具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點。圖中，D1，D2為二極管元件，其作用是限制輸出電壓的擺幅不斷增大，避免輸出波形失真。

放大電路由電阻R1和R2，R3以及Rd的等效電阻Rf構成的負反饋組成，其中Rd為二極管的內阻。放大電路的放大倍數為：

選頻網絡由RC組成的串并聯電路組成，其特征頻率為：

根據試驗需要，可以調整R，C的值，得到需要的振蕩頻率。

該選頻網絡的頻率特性為：

根據以上各關系式以及電路的起振條件，可以確定放大電路反饋回路中R1和R2，R3的比值。

3.2 功率放大電路設計

功率放大電路采用PA141作為放大器，構成類似橋式的驅動電路，來驅動壓電陶瓷換能器。具體電路如圖4所示。

PAl41是“APEX”公司推出的8腳高壓單片集成的MOSFET運算放大器，它具有工作電壓高(350 V)、靜態電流小、輸出電流大(峰值120 mA)等優點。PAl41內部的輸入保護電路避免了過高的共模、差模電壓及靜電泄放的影響，其安全工作區無二次擊穿限制，因此只要選擇合適的限流電阻就可驅動不同的負載，并可通過PAl41的外部可調補償電路來選擇合適的帶寬和增益。使用該放大器不僅簡化了電路設計，而且可提高系統的可靠性。

在圖4中，運放A1，A2構成雙重補給的橋式電路，其中A1的增益為20 dB，A2的輸出與A1反相，從而構成差動式放大電路。若輸入正弦信號的電壓幅值為15 V，則施加在換能器兩端的驅動電壓的變化范圍為±300 V。由于PAl41的輸出電流較低，為了得到較高的輸出功率，電路中接人兩個功率MOS管，以提升輸出電流，從而得到較高的輸出功率來驅動換能器。

4 接收電路的設計

參量換能器的回波接收電路由前置放大電路、帶通濾波電路和末級放大電路組成，如圖5所示。

4.1 前置放大電路

前置放大電路采用具有低功耗、寬頻帶、高精度和高可靠性等優點的AD620儀用放大器，它是一種電阻可編程的放大器，其內部是由三運放組成的儀表放大器結構，內部的電阻經激光技術校準，整個放大器具有很高的精度和共模抑制比。AD620的增益是由電阻RG決定的，使用1％的精密電阻，它就能提供精確的增益G。該放大器只需要改變一個管腳1，8之間的電阻值，就可以在1～1 000之間調整增益，其增益公式為：

可根據實驗需要，選擇合適的RG來確定電路的增益。