一種新型多探頭雙頻超聲波接收電路的設(shè)計方案

1.引言

現(xiàn)代漁業(yè)主要利用探魚器來探測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，為了探測更多更詳細的水域信息，大角度多頻率探測為了發(fā)展的趨勢。所以增加超聲波探測角度一般有兩種方式，單探頭的機械回掃探測和多個探頭探測。由于單探頭的機械回掃電路設(shè)計復(fù)雜，且探測間隔受到機械回掃速度的限制，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獨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。本文以三個雙頻探頭為例子，設(shè)計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)計采用了三個雙頻超聲波探頭分時切換接收的新方法，接收電路主要由前級放大電路，開關(guān)切換電路，帶通濾波電路和后級放大電路四個部分組成。信號經(jīng)過獨立的前級放大電路初步放大信號后，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行濾波放大，最后再經(jīng)后級放大電路放大，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

3.1 前級放大電路

前級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)過一個隔離電路。如圖1所示，我們采用兩個反向并聯(lián)的1N4148二極管D1、D2接地達到隔離目的。當發(fā)射的時候，高壓脈沖信號將直接通過二極管對地放電，二極管等效為短路，不會燒壞接收電路。當探頭接收的時候，微小的信號無法使二極管導(dǎo)通，相當與斷路，微小信號由后續(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為負反饋電阻，起到穩(wěn)定BJT的偏置點的作用。放大電路增益為：

令β=120,算得到gm約為0.03.此時根據(jù)公式1可計算信號增益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，電路進入接收模式。

芯片控制模擬開關(guān)選定將要接收的是三個探頭中的哪個，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，使得多個超聲波探頭共享一套后級放大電路，由于后級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)切換后需要一段時間電路才能重新穩(wěn)定，所以在這段時間內(nèi)不適合接收信號。根據(jù)實際測量，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放構(gòu)成的有源帶通濾波器兩級級聯(lián)而成，單級且中心頻率為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計算，當R0=R1取10K,R2取87K,C1=C2取100p的時候，電壓最大增益為4.35,中心頻率約為76.3KHz,帶寬為36.6KHz.當R0=R1取3.3K,R2取38K,C1=C2取100p的時候，電壓最大增益為5.76,中心頻率約為201KHz,帶寬為83.8KHz.由于兩個中心頻率的絕對誤差均遠小于各自帶寬，所以認為上述電路參數(shù)取值是合理的。兩級級聯(lián)后中心頻率不變，電壓增益為單級的平方。

3.4 后級放大電路

由于超聲波接收信號的變化幅度很大，從幾個微伏到幾個豪伏，為了充分利用芯片AD的電壓范圍，創(chuàng)新設(shè)計了以對數(shù)放大器和運放組成的后級放大電路，如圖4所示。當輸入信號弱時，它相當于一個線性放大器，增益較大。當輸入信號較強時，它變成對數(shù)放大器，增益隨輸入信號的增加而減小。對數(shù)放大器保證了超聲波接收電路有很寬的動態(tài)范圍。經(jīng)過AD8310對數(shù)放大器，原先的高頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l的原信號包絡(luò)。

經(jīng)過對數(shù)放大器的信號輸入給同相輸入組態(tài)的運算放大器，進行最后信號幅度調(diào)整。改變反饋電阻的阻值，可以改變該放大電路的增益，具體要求是最終輸出到AD引腳的信號的最大幅度值應(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，使最終信號的最大幅度約為3V.

4.電路驗證

電路的實測輸出波形如圖5所示，在電路接收到微弱的反射信號的時候，超聲波探頭產(chǎn)生幾個微伏的電壓，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)計要求。

5.結(jié)束語

本方案中創(chuàng)新設(shè)計了一種多探頭雙頻超聲波接收電路，經(jīng)實驗驗證，能夠成功控制三個雙頻超聲波探頭正常工作。該電路成本低，簡單高效，并具有良好的擴展性，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。