CN102721632A - 一种高频超声信号发生器 - Google Patents

Abstract

一种高频超声波信号发生器装置，电路结构是驱动电路输入端连接以CPU驱动的数字信号发生集成电路，输出端连接到工作在开关状态下的高频场效应管的栅极上，高频场效应管漏极信号输出端连接耦合电容，耦合电容与匹配电阻网络连接，电阻网络连接0.5MHz～10MHz超声波换能器。本发明装置能够激励标称50Ω的高频超声换能器，产生0.5MHz～10MHz的高频超声波信号。并在宽频范围(0.5MHz～10MHz)内实现多种频率信号的快速切换和开关，速度可达到ns级，且驱动信号幅值、波形均无失真发生。该发生器装置在在线超声波粒度仪上得到了应用。

Description

一种高频超声信号发生器

技术领域

本发明涉及一种在线粒度检测仪表，具体说涉及一种高频超声信号发生器。

背景技术

所有工业矿浆其粒度都不是单一的，都是分布的，所以粒度检测，本质上都是粒度分布检测。在线超声波粒度仪使用6个频率的超声波测量矿浆的超声衰减，由这6个超声衰减系数构成标定模型，既能反映矿浆中粗的成分，也能反映细的成分，这样测出每个粒级是真实的，超声衰减的粒度测量是矿浆中大量颗粒共同作用的结果，因此测量的一致性和代表性好。每种矿浆中测5个粗细不同的粒级，就能准确表达矿浆的粒度分布。

测量槽中每对超声波传感器的发射器和接收器之间的距离是固定的，间距的选择应使电子信号电平最佳。如果间距太大的话，所测量到信号电平太小；如果间距太小的话，由矿浆作用所引起的信号变化程度不足以用于检测。间距的确定是要根工厂所提供的粒度和浓度信息进行计算确定的。低频通道传感器对典型间距范围是50～100mm。高频通道传感器对典型间距范围是25～75mm。超声波在矿浆中的传播速度大约是1500m/s，因此可以得出超声波在测量槽内的传播时间范围大约是16μs～66μs。

在微秒级的传播时间下要做到超声波在各频率点的快速切换且每个频率下发射的超声信号能够快速地关断和开通，实现脉宽可调，避免发射的超声信号在测量装置内产生叠加，在各个频率点工作时的超声波信号幅值和波形不允许出现任何失真以免影响超声衰减信号的接收，影响仪表检测精度。

目前包括集成电路发射模块和分立元件组成的超声信号发生器发射频率多为40kHz，很少有驱动频率达到1MHz以上的。对精度要求极高的超声检测领域，现有的超声信号发生器是难以达到实际要求的。

目前尚未有相应的宽范围(0.5MHz～10MHz)，效果好的高频超声信号驱动及高速频率切换、开关电路设计的报道。

发明内容

针对目前高频超声信号发生器存在的缺陷，本发明提供一种能够驱动标称负载50Ω的高频超声换能器，在0.5MHz～10MHz宽频范围内实现ns级的频率切换和开关速度，且驱动信号幅值、波形均无失真发生的高频超声信号发生器。

解决上述技术问题所采取的具体技术措施是：一种高频超声信号发生器，其特征是：由三极管(3)、(4)与电阻(7)、(9)、(10)，二极管(5)、(6)及电容(8)组成信号驱动电路，驱动电路输入端连接到以CPU驱动的数字信号发生集成电路高频脉冲输出端，驱动电路的输出端即三极管(3)的发射极一端连接到高频场效应管(2)的栅极上，高频场效应管(2)漏极电位D端接入LM317电源电路(1)的输出端，漏极信号输出端连接耦合电容(14)的一端，耦合电容(14)另一端与电阻网络(15)连接，电阻网络(15)另一端连接到超声波换能器(16)上。

本发明的有益效果：由于高频超声信号发生器的输入信号等同于超声换能器工作频率的高频TTL脉冲串，经高频超声信号发生器中以高频场效应管为核心的驱动电路进行激励，激励产生的高频脉冲信号经匹配和调谐网络产生输出高频无失真正弦超声波，最后由耦合电路驱动超声波换能器工作。输出高频范围可达到0.5MHz～10MHz，速度可达到ns级。高频超声信号发生器的供电电源有调节单元进行调解，确保输出的高频超声信号幅值稳定无失真。

附图说明

图1是高频超声波信号发生器电路示意图。

图2是实施例中电路示意图。

具体实施方式

结合附图详细说明本发明的结构和工作原理。

一种高频超声信号发生器，其电路结构如图1所示，由三极管3，4与电阻7，9，10，二极管5，6及电容8组成信号驱动电路，驱动电路输入端连接到以CPU驱动的数字信号发生集成电路(DDS)高频脉冲输出端，驱动电路的输出端即三极管3的发射极一端连接到高频场效应管2的栅极(G极)上，高频场效应管2漏极电位D端接入LM317常规电源电路1的输出端，漏极信号输出端连接耦合电容14的一端，耦合电容14另一端与常规理论计算的匹配电阻网络15连接，电阻网络15另一端连接到(0.5MHz～10MHz)超声波换能器16上。

具体实施例如图2所示，由三极管3，4与电阻7，9，10，二极管5，6及电容8组成信号驱动电路，其中1K电阻10的一端作为驱动电路的输入端并与上拉51K电阻9相连，51K电阻9的另一端与+12V电源相连；1K电阻10另一端连接2号1N4148二极管6的正端，2号1N4148二极管6的负端与1号2N3904三极管3的基极相连；+12V电源与地之间连接一0.1uF滤波电容8；1K电阻7作为2号2N3904三极管4的集电极电阻同时与1号2N3904三极管3的基极相连；1号2N3904三极管3的集电极连接+12V电源，发射极与基极之间连接1号1N4148二极管5；2号2N3904三极管4的基极与驱动电路输入端之间连接电容11，基极与发射极之间连接3号1N4148二极管12。驱动电路输入端为0.5MHz～10MHz高频脉冲串，信号为TTL电平。高电平信号时，信号通过1K电阻10，2号1N4148二极管6加载到1号2N3904三极管3的基极上，使1号2N3904三极管3导通，+12V直接加到高频场效应管2的栅极上；低电平信号时，0.01μF加速电容11极性反向，高电平加载到2号2N3904三极管4基极上，使2号三极管4导通。高频场效应管2的栅极经1号1N4148二极管5接地。1K电阻7的作用是当2号2N3904三极管4导通时，1号2N3904三极管3的基极端被强制拉低，使1号2N3904三极管3工作在截止状态。2号1N4148二极管6的作用是限制2号2N3904三极管4的饱和深度，提高开关速度。电容11作用是加强脉冲沿，提高开关速度。3号1N4148二极管12是反向二极管为加速电容11提供反向泄放回路。51K电阻9视为TTL高电平提升到+12V的上拉电阻，并保证功率放大器输入开路时高频场效应管2的栅极驱动为低电平，使高频场效应管2处于关断状态。0.1uF电容8为滤波电容，增强信号抗干扰能力。

高频场效应管2漏极电位VCC端接入LM317常规电源电路的输出端，电压调节到20V，此电位是极限电位，是不会改变的，所以供电电源给定调节电压整定后，输出信号幅度就固定不变，确保超声发射信号幅值不低于固定值。

最终高频场效应管2输出通过0.1μF耦合电容14经匹配电阻网络15产生正弦超声波信号加载到0.5MHz～10MHz超声波换能器16上。匹配电阻15的选择要根超声波换能器频率而定，范围在50～250欧姆，图中设计为200欧姆。

高频场效应管的开关速度和工作频率比双极三极管高1～2个数量级，载流子渡越时间小于1ns，开关速度和频率响应速度在本发明设计中得到了很好的应用。

Claims (1)

1.一种高频超声信号发生器，其特征是：由三极管(3)、(4)与电阻(7)、(9)、(10)，二极管(5)、(6)及电容(8)组成信号驱动电路，驱动电路输入端连接到以CPU驱动的数字信号发生集成电路高频脉冲输出端，驱动电路的输出端即三极管(3)的发射极一端连接到高频场效应管(2)的栅极上，高频场效应管(2)漏极电位D端接入LM317电源电路(1)的输出端，漏极信号输出端连接耦合电容(14)的一端，耦合电容(14)另一端与电阻网络(15)连接，电阻网络(15)另一端连接超声波换能器(16)上。

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