CN107453734A - 一种超声波传感器激励信号产生电路 - Google Patents

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杨红宇
赵辉
古军
张金奎
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Abstract

本发明公开了一种超声波传感器激励信号产生电路，通过对三角波产生电路设计，即通过二进制计数器对基准信号源的计数，得到二进制计数码，利用二进制计数器的进位输出信号的取反，然后经过D触发器构成的二分频电路，得到控制信号，控制信号与每一位二进制计数码进行异或并送入权值电阻网络，转换为三角波信号，并输出给低通滤波器滤除三角波信号二次以上谐后输出给功率放大器，提升正弦信号的电流和电压后，输出驱动给超声波传感器。本发明是一种间接的正弦信号产生方式，其中三角波产生电路是本发明的创新之处，由晶振、分频电路、异或门和权值电阻网络组成，通过数字信号到模拟信号转换，得到稳定的三角波信号，具有成本低和性能稳定的优点。

Description

一种超声波传感器激励信号产生电路
技术领域
本发明属于超声波技术领域，更为具体地讲，涉及一种超声波传感器激励信号产生电路。
背景技术
超声波技术广泛应用在工业测量、无损检测、医学成像等领域，研究开发超声波技术拥有巨大的市场价值。一般从电路功能组成上来说，超声波技术包括两个部分：超声波激励电路即超声波传感器激励信号产生电路和超声波接收电路。
通常设计中，超声波传感器激励信号产生电路使用DDS直接频率合成技术或简单的多谐振荡器电路作为超声波传感器激励信号产生电路。DDS直接频率合成技术往往采用处理器或专用集成芯片完成，适用于对价格不敏感且性能要求较高的场所。多谐振荡器电路实现简单且成本较低，但是在稳定性方面存在严重不足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种声波传感器激励信号产生电路，以兼具低成本和性能稳定的优点。
为实现上述发明目的，本发明声波传感器激励信号产生电路，包括：
三角波产生电路，用于产生一定频率的三角波信号V0，并输出给低通滤波器；
低通滤波器，用于滤除三角波信号V0中二次以上谐波，输出标准的正弦信号给功率放大器；
功率放大电路，用于提升正弦信号的电流和电压，并输出驱动后面的超声波传感器；
其特征在于，所述的三角波产生电路包括：
一有源晶振构成的基准信号源，用于输出一个基准信号给分频电路；
一个分频电路，由二进制计数器、非门以及D触发器组成；二进制计数器对基准信号进行计数，输出二进制计数码(QNQN-1…Q0)2以及进位输出信号TC，；非门对进位输出信号TC进行反向后作为D触发器构成的二分频电路的时钟输入；二分频电路由一个D触发器的输出端与D端连接构成，进位输出信号TC连接到D触发器的时钟端，D触发器的Q输出端作为二分频电路的输出，并将该输出作为控制信号QN+1；
N+1个异或门，二进制计数码(QNQN-1…Q0)2的每一位都通过一个异或门与控制信号QN+1进行异或，得到一个递增和递减交替连续变化的二进制码(YNYN-1…Y0)2；
一个权值电阻网络，用于将二进制码(YNYN-1…Y0)2转换为三角波信号V0，并输出给低通滤波器。
本发明的目的是这样实现的。
本发明超声波传感器激励信号产生电路，通过对三角波产生电路设计，即通过二进制计数器对基准信号源的计数，得到二进制计数码，利用二进制计数器的进位输出信号的取反，然后经过D触发器构成的二分频电路，得到控制信号，控制信号与每一位二进制计数码进行异或，这样可以得到一个递增和递减交替连续变化的二进制码，并送入权值电阻网络，转换为三角波信号，并输出给低通滤波器滤除三角波信号二次以上谐波，输出标准的正弦信号给功率放大器，由功率放大器提升正弦信号的电流和电压后，输出驱动给超声波传感器。本发明是一种间接的正弦信号产生方式，其中三角波产生电路是本发明的创新之处，由晶振、分频电路、异或门和权值电阻网络组成，通过数字信号到模拟信号转换，得到所需的稳定的三角波信号，具有成本低和性能稳定的优点。
附图说明
图1是本发明声波传感器激励信号产生电路一种具体实施方式原理框图；
图2是图1所示三角波产生电路的电路原理图；
图3是图2所示三角波产生电路二进制计数码、进位输出信号以及控制信号的波形图；
图4是三角波信号与二进制码(Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0)2的波形关系图；
图5是三角波产生电路Multisim仿真三角波信号波形图；
图6是图1所示功率放大电路一种具体实施方式电路图；
图7是三角波信号一具体实例波形图；
图8是图7所示三角波信号对应的正弦信号；
图9是图8所示正弦信号对应的功率放大信号。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图1是本发明声波传感器激励信号产生电路一种具体实施方式原理框图。
在本实施例中，如图1所示，本发明声波传感器激励信号产生电路包括三角波产生电路1、低通滤波器2以及功率放大电路3。三角波产生电路1产生一定频率三角波信号V0，低通滤波器滤除三角波信号V0中二次以上谐波，输出标准的正弦信号给功率放大器3，功率放大电路3负责提升正弦信号的电流和电压，输出信号驱动后面的超声波传感器。
在本发明中，电路设计的思路是先产生三角波信号V0，再通过滤波和功率放大产生足够功率的正弦信号用于驱动超声波传感器，是一种间接的正弦信号产生方式，其中，三角波产生电路是本发明的创新之处，由有源晶振、分频电路、异或门和权电阻网络组成，通过数字信号到模拟信号的变换，产生了稳定的三角波信号。
下面对本发明声波传感器激励信号产生电路各个部分进行详细说明。
1、三角波产生电路
在本实施例中，如图2所示，本发明中的三角波产生电路包括有源晶振101、分频电路102、N+1个异或门103以及权值电阻网络104。
在本实施例中，以八位二进制计数码(即N＝7)为例说明三角波信号的产生过程。
在本实施例中，有源晶振101为整个三角波产生电路1提供了一个基准信号源。分频电路102由八位二进制计数器、非门以及D触发器组成，对基准信号进行分频，分频系数分别为1/2、1/4、1/8…，分频过程波形变化如图3所示。基准信号源经过分频电路102产生8位二进制计数码(Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0)2。在本实施例中，八位二进制计数器由两个型号为SN74HC1161AN的4位二进制计数器组成，低位的4位二进制计数器的计数端输入基准信号，其输出的二进制计数码(Q3Q2Q1Q0)2作为8位二进制计数码(Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0)2的低四位，其输出的进位输出信号TC作为高位的4位二进制计数器的计数端输入；高位的4位二进制计数器输出的二进制计数码(Q3Q2Q1Q0)2作为8位二进制计数码(Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0)2的高四位，其输出的进位输出信号TC作为非门的输入。
非门对进位输出信号TC进行反向后作为D触发器构成的二分频电路的时钟输入，二分频电路由一个D触发器的输出端与D端连接构成，置位端SET以及清零端CLR均接地即无效，进位输出信号TC连接到D触发器的时钟端，D触发器的Q输出端作为二分频电路的输出，并将该输出作为控制信号Q8，可以控制二进制码(YNYN-1…Y0)递增和递减交替连续变化。
三角波信号产生的关键是数字电路提供一个能够递增和递减交替连续变化的二进制码。二进制计数器产生的二进制计数码(Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0)2的数值只有递增变化过程，没有递减变化过程，这种二进制码计数输入到权值电阻网络不会产生三角波，而是产生锯齿波，显然不符合设计要求。为了实现递增和递减交替连续变化，本发明采用N+1个异或门103，二进制计数码(QNQN-1…Q0)2的每一位都通过一个异或门与控制信号QN+1进行异或，得到一个递增和递减交替连续变化的二进制码(YNYN-1…Y0)2。具体到本实施例中，采用8个异或门与控制信号Q8来实现，每个异或门相当于一个半加器，当控制信号Q8为0时，Qi与Q8相加，输出Yi＝Qi，相反当Q8为1时，输出Yi＝～Qi，这样就实现了二进制码(Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0)2的递增和递减交替连续变化，Qi与Yi的真值表如表1所示。
表1
它们之间的逻辑代数关系为：
二进制码(Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0)2变为三角波信号Vo是一个数模转换过程，需要经过权值电阻网络104完成。Y0～Y7是八个同相的方波信号，当Yi＝0时，表示此引脚接地，当Yi＝1时，表示此引脚接5V电压，根据电路分析中的戴维南定理和叠加定理，输出信号Vo与(Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0)2的关系如下所示：
式中M＝5V，两者的波形关系如图4所示，三角波信号其实是阶梯波的近似，这里使用256个阶梯来近似三角波，三角波信号的频率与控制信号Q8相同。
使用Multisim电路仿真软件对三角波产生电路进行仿真，电路的仿真结果如图5所示，从图5可以看出产生了一个变化非常细腻的三角波信号。
从上面的分析中可知，三角波其实是阶梯波的近似，近似程度与三角波与二进制计数码的位数有关，位数越多，阶梯波的阶数就越多，例如如果二进制计数码的位数为4位，则会产生16阶数的三角波，如果为8位就会产生256阶数的三角波。三角波信号的频率和波形阶数可根据需要调整基准信号的频率和分频电路的分频数达到，这种三角波产生电路具有很大的通用性和扩展性，可以容易地应用在其他信号产生电路中。
2、低通滤波其
低通滤波器的作用是滤除三角波产生电路的输出信号的2次以上的谐波，进而输出标准的正弦信号。从低通滤波器结构来看，有源低通滤波器可分为Sallen-Key结构和多重反馈结构两种，而从滤波特性的不同来看可分为巴特沃斯特性滤波器、切比雪夫特性滤波器、贝塞尔特性滤波器。巴特沃斯滤波器的特点是具有最大平坦的幅频响应特性，且恰在截止频率之前急剧下降；切比雪夫特性滤波器的特性是阻带的下降速率比巴特沃斯快，但是通带内的波动和超调更大；贝塞尔特性滤波器的特点是线性相位特性，通带内非常平坦，几乎没有超调，但是相比前两者，其阻带的下降速率是最低的。根据需要选择电阻电容参数容易选取和滤波特性较好的Sallen-Key电路结构的巴特沃斯特性滤波器。
3、功率放大电路
功率放大电路的目的是对产生的正弦信号进行电压和电流放大，为超声波传感器提供充足的高功率激励信号。功率放大电路如图6所示。此功率放大电路分为三部分：前置电压放大器和功率输出放大器以及变压器。前置放大器对于交流信号是一个电压串联负反馈，用以改善低频响应；对于直流信号，相当于跟随器，这样能够稳定输出信号的中点电位，即保持在0V。功率输出放大器是复合管互补推挽电路，由两级放大组成，一级是中功率管：Q1和Q2，二级是大功率管：Q5和Q6，采用复合管的原因，一是管子配对容易，只要求Q5、Q6对称性好就可；二是复合管β值高，在降低对推动电流要求的同时，输出很大的功率。放大电路在维持温度稳定性方面采取了多种措施：二极管D1、D2和D3、D4抑制了三极管Q1、Q2集电极电流；R27和R28这两个电阻的作用是限制Q5、Q6的基极电流；Q3、Q4组成了对功率管Q5、Q6的保护电路。这些措施提高了电路的稳定性，保护了电路免于被烧毁的危险。变压器进行电压的提升，为了驱动后面的传感器，电压幅度和电流大小要达到一定要求，但是电压和电流调整时是相反变化的，需要根据需要适当调节其匝数比。
信号波形实例
在本实施例中，如图7、8、9所示，本发明获得了波形良好的三角波信号、正弦信号和功率放大信号，符合驱动超声波传感器的要求。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种声波传感器激励信号产生电路，包括：
三角波产生电路，用于产生一定频率的三角波信号V0，并输出给低通滤波器；
低通滤波器，用于滤除三角波信号V0中二次以上谐波，输出标准的正弦信号给功率放大器；
功率放大电路，用于提升正弦信号的电流和电压，并输出驱动后面的超声波传感器；
其特征在于，所述的三角波产生电路包括：
一有源晶振构成的基准信号源，用于输出一个基准信号给分频电路；
一个分频电路，由二进制计数器、非门以及D触发器组成；二进制计数器对基准信号进行计数，输出二进制计数码(QNQN-1…Q0)2以及进位输出信号TC，；非门对进位输出信号TC进行反向后作为D触发器构成的二分频电路的时钟输入；二分频电路由一个D触发器的输出端与D端连接构成，进位输出信号TC连接到D触发器的时钟端，D触发器的Q输出端作为分频电路的输出，并将该输出作为控制信号QN+1；
N+1个异或门，二进制计数码(QNQN-1…Q0)2的每一位都通过一个异或门与控制信号QN+1进行异或，得到一个递增和递减交替连续变化的二进制码(YNYN-1…Y0)2；
一个权值电阻网络，用于将二进制码(YNYN-1…Y0)转换为三角波信号V0，并输出给低通滤波。
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