用于驱动超声波发射及接收的电路设计

    在具有超声波测距功能的仪器设备中，用于驱动超声波发射及接收的电路设计种类较多。从产品的成本及体积考虑，多数采用集收发于一体的超声波换能器，采用这种设计的产品，其款式和价格都具有一定的优势。但在电路设计方面需要更高的要求，在发射时发射电路不能破坏接收电路，接受电路也不能影响发射：在接收信号时，由于信号较弱，应尽量减少由发射电路所造成的对信号的损耗。我们所设计的电路下如图所示，试验效果良好。

    1、发射电路原理

    在附图中，单片机MCU由程序控制从I/O口线输出超声波换能器所需的方波（我们采用的是40kHz）。经三极管Q1驱动由Ll、L2、C2、超声波换能器TR等组成的振荡电路。在振荡电路形成的正弦波驱动超声波换能器TR发射声波。电路中C1的作用是将单片机从I/O口输出的方波耦合到三极管Ql的基极，当单片机不输出方波时，与Cl连接的I/O口线最好保持输出高电平，Vc经R2、Rl对C1进行充电，在极短时间内充电完毕，三极管Q1的基极电位等于Vc，三极管截止。电感中没有直流通过，不会损坏电感。Cl、Rl、R2的参数由发射的超声波频率、三极管的型号及Vc的大小决定。Cl偏小时，I/O口输出的方波耦合到三极管的基极后变为脉宽较窄的不标准的脉冲波，影响三极管驱动LC振荡电路。Cl过于大时，由于充电和放电的时间常数不同，在发射的过程中，三极管基极的方波幅度会逐步减小。C1应根据R1、R2、Ql的参数确定一合适的量值。可先确定C1等于0.1μF，再确定Rl及R2的参数。在三极管的型号确定后，Rl及R2可通过实验在几百欧姆至几千欧姆范围内确定。以保证Ql基极的方波不失真。D1起保护三极管的作用。R3起限流的作用，L2及L1的匝数为N2、Nl，设接入系数p=N2/(Nl+N2)，p近似等于Vc与超声波换能器在发射时所需正弦信号的振幅之比。当p较小时，要求Ql能输出较大的电流振幅，这时R3应取小一些，可取几十欧姆甚至几欧姆。当p较大时，R3可取几百欧姆甚至几千欧姆。TR在基极谐振频率带宽范围内呈感性，C2、C3、C4作为TR的谐振负载电容，即电容与TR并联后组成选频网络。C2、C3、C4的取值由TR的电参数决定，不同型号的TR，C2、C3、C4的取值不同，应由实验确定。发射及接收超声波时，并联网络两端的阻抗最大，呈电阻特性，使三极管的负载阻抗最大，呈电阻特性。R4阻值较大，可取几千欧姆，C3、C4很小，选择C3在l00nF左右，C4在几个nF范围。D2、D3、R4、D4、D5对发射影响不大，是为接收信号而设计。发射信号时，D5、D4的上端电位被钳位在0.7V以下，不会损坏接收部分的电路。

    2、接收电路原理

    超声波换能器TR接收到被目标物体反射回来的超声波时，在其两端产生微弱的电信号，其振幅一般不大于0.7V，即双向二极管D2、D3及D4、D5处于截止状态。D2、D3阻断接受到的电信号通过L1、L2的通路：D4、D5及C4并联后的阻抗远大于R4、C3并联后的阻抗，接收到的电信号主要有C3、C4分压后由C5耦合至放大电路，放大（约1000倍）后的信号经C6耦合至鉴频电路，经鉴频后电路的输出至单片机，完成接收任务。

    3、结语

    该电路的优点是：发射时加到超声波换能器两端的电信号为正弦波，这样可以提高发射功率和接收信号的质量。加上D2、D3、D4、D5后，减小了发射与接收间的影响。

本文关键字：超声波  高频放大-接收发射，单元电路 - 高频放大-接收发射