參量換能器原理和收發電路設計

4.2 帶通濾波放大電路

帶通濾波器是用高阻抗運算放大器(TL082)和RC阻容元件構成的放大器和有源帶通濾波器。

二階有源帶通濾波器的傳遞函數為：

式中，ω0為帶通濾波器的中心角頻率，ω0=2πf0，(f0=8 kHz)；Q為品質因素；A為濾波器的增益。若BW為帶寬，則有Q=f0／BW，濾波器的參數滿足如下關系：

當所需帶寬為BW=4 kHz，增益A=5，C1=C2時，則將已知數值代入上式，計算得：若C1=C2=681 pF，則R1=11.7 kΩ，R2=19.5 kΩ，Rf=117 kΩ。

末級放大電路是由普通的反向運算放大器和電阻元件構成。通過調節電位器來改變放大器的增益，使接收電路的輸出幅值滿足數據采集電路板NI6024的輸入要求。

5 供電電源設計

在設計的參量陣收發電路中需要土175 V，±15 V，±5 V等電源。對于高壓電源的設計，實驗中采用推挽式穩壓電源功率轉換電路，具體電路如圖6所示。

高壓電源設計中，由NE555組成的電路提供脈沖信號，SN75372集成芯片是雙通道與非門TTL／MOS專用接口電路，其中管腳2是兩個與非門公用的使能輸入端(高電平有效)，管腳1／7和管腳3／6分別是兩個與非門的輸入／輸出端；管腳4是數字地；管腳8接5 V直流電源，管腳5接15 V直流電源。利用該接口電路，就可以直接用TTL電平來驅動MOSFET功率管。R4與R5構成分壓電路，用來確定MOSFET功率管IRF520的柵源電壓VGS，進而控制功率管導通時的漏極電流ID；RS是限流電阻，用于限制漏級電流ID的大小，它可以使功率管導通時的最大漏級電流IM基本恒定，避免功率管導通瞬間過大的電流沖擊。該電路通過變壓器輸出后，將橋式整流電路變壓器副邊中點接地，再接上濾波電容，并且兩個電容的中點接地，可以得到較高的正、負直流輸出電壓，滿足實驗中高壓電源的需求。

另外，對于±15 V和±5 V電源，可以利用已有的24 V穩壓電源，通過三端穩壓集成電路模塊78和79系列得到所需要的直流電壓。

6 結 語

以上介紹了參量換能器的工作原理和收發電路的設計。對于實現參量陣差頻信號的發射與接收，實際工作中還有兩個需要注意的問題：

(1)實現聲學參量陣，要求原波信號有較高的聲源級，尤其在空氣中由于非線性效應較弱，對聲源級的要求也更高，這也增大發射器的功率。

(2)參量換能器的轉換效率較低，一般很難超過1％。如何提高參量換能器的效率，仍是一個值得探索的研究課題。

下一步工作是在實驗室中實現參量陣超聲波的發射和聲波的接收，并且在空氣中和水下驗證參量陣的性能指標，其中還要注意換能器在空氣和水下的阻抗率匹配問題。