CN109444273A - 一种超声换能器激发系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声换能器激发系统，本发明包括DAC信号调理模块、功率放大模块、阻抗匹配模块和超声换能器；所述DAC信号调理模块，用以将0至3.0V数字正弦波信号转换成正负变化的交流模拟信号，并对交流模拟信号幅值进行放大处理；所述功率放大模块，用以将交流模拟信号电压和电流进行放大，提高功率，驱动后级电路；所述阻抗匹配模块，用以将功率放大模块输出阻抗与超声换能器阻抗进行匹配，进而激发超声换能器产生超声波；本发明的超声换能器激发系统激励源采用正弦波，输出激励信号为差分正弦波，提高激发效率的同时给系统应用带来极大地灵活性。

Description

一种超声换能器激发系统
技术领域
本发明属于超声测量技术领域，特别是一种超声换能器激发系统。
背景技术
超声波具有方向性好、穿透能力强、声能集中等特点，在测距、测速等测量技术领域有广泛应用。在超声激发系统中，常见激励源有脉冲信号、正弦波信号、线性调频信号、幅值调制的正弦波信号，激励源不同影响回波信号的幅值和稳定性。目前大多数超声激发系统都采用脉冲信号作为激励信号，根据实验研究，在相同激励源个数和电压幅值的情况下，其回波幅值和稳定性均不如正弦波信号。
超声信号传播过程中，尤其在气体中，能量衰减比较快，若是激发系统效率低，对超声换能器激发稳定性不佳，则会影响回波信号的信噪比，对相关实际应用精度的降低会有较大程度影响。且现有超声换能器激发系统多为单端信号输出，超声换能器负电极做接地处理，这也会降低超声换能器被激发的效率。
本发明针对以上问题，提供一种超声换能器激发系统，以解决现有的超声无损检测系统采用谐波分量较多的方波，且超声换能器一端接地，只有一端接收周期变化的激励信号，导致效率不高，回波信号信噪比不高的问题。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超声换能器激发系统，包括超声换能器，其特征在于，还包括DAC信号调理模块、功率放大模块、阻抗匹配模块；其中，
所述超声换能器，用以响应激励，形成谐振，发出超声波；
所述DAC信号调理模块，用以跟随DAC输出的正弦信号，将正弦信号转换成正负变化的交流信号，并对幅值进行放大；
所述功率放大模块，用以将DAC信号调理模块输出的信号电压幅值和电流幅值同时放大，提高功率，驱动后级电路；
所述阻抗匹配模块，用以将功率放大模块输出阻抗与超声换能器阻抗进行匹配，进而以最高效率激发超声换能器产生超声波。
进一步，作为优选，所述DAC信号调理模块包括跟随缓冲级和反向放大级；其中，
所述跟随缓冲级的同向端+INA接收数模转换器输出的正弦信号，所述跟随缓冲级的反向端-INA与其输出端OUTA直连；
所述反向放大级包括串联的第一电阻R1、第二电阻R2、第三分压电阻R3、第四分压电阻R4；所述第一电阻R1、第二电阻R2串联，所述第一电阻R1、第二电阻R2之间连线的中间节点连接所述跟随缓冲级的反向输入端-INB；所述第三分压电阻R3、第四分压电阻R4的阻值相同；
所述第一电阻R1另一端与所述跟随缓冲级输出端OUTA连接；所述第二电阻R2另一端与反向放大级输出端OUTB连接；所述第三分压电阻R3、第四分压电阻R4串联，且所述第三分压电阻R3、第四分压电阻R4之间连线的中间节点连接所述跟随缓冲级的同向端+INB，第三分压电阻R3的另一端连接+3V参考电压，第四分压电阻R4的另一端接地。
进一步，作为优选，所述DAC信号调理模块采用双电源供电，所述DAC信号调理模块调理的正弦波信号为0至3.0V的数字正弦波信号。
进一步，作为优选，所述功率放大模块包括功率运算放大器U1和功率运算放大器U2；所述功率放大器U1同向输入端+IN通过第一电容C1与反向放大级输出端OUTB连接。
进一步，作为优选，所述阻抗匹配模块包括变压器U4、匹配电感L1和超声换能器Y1；其中，
所述变压器U4的原边端口1、端口4分别连接功率放大器U1、功率放大器U2的输出端OUT；所述的变压器U4副边端口3与超声换能器Y1连接；所述的电感L1一端与变压器U4副边端口6连接，另一端与超声换能器Y1连接；
进一步，作为优选，所述功率放大模块采用双电源供电。
进一步，作为优选，所述DAC信号调理模块实现激励源由数模转换器产生正弦波，且正弦波周期个数由程序自由编程控制，激励电压幅值被放大调理到为0V对称的交流信号。
进一步，作为优选，所述功率放大模块激励源输入引脚通过电阻接地，为输入偏置电流提供回路，避免了输出信号电压漂移。
进一步，作为优选，所述功率放大模块采用单端输入双端输出的结构，输出差分正弦信号作用于超声换能器两端电极，以便提高超声换能器的驱动效率。
进一步，作为优选，其特征在于，其工作过程为：微控制器通过编程，产生离散的数字正弦波，经由DAC外设输出连续的模拟正弦波，模拟正弦波信号作用在DAC信号调理模块的跟随缓冲级，输入到反向放大级，放大倍数为(-R2/R1)，则反向放大级输出信号为Vout＝(-R2/R1)*Vin+(+3V/2)；
经过调理的正弦波信号作用于功率放大模块，放大倍数为-R6/R7、-R8/R7，功率放大器U1和功率放大器U2输出端输出相位相反的正弦波；
相位相反的正弦波作用于变压器U4的原边，由副边输出通过匹配电感L1加载在超声换能器的两个电极上，发出超声波；
匹配电感L1可由公式L＝(C0RS 2)/(1+(ωsC0Rs)2)理论计算，其中C0是超声换能器静态电容，RS是其动态电阻。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过DAC信号调理模块实现激励源由数模转换器产生正弦波，且正弦波周期个数可由程序自由编程控制，激励电压幅值也被放大调理到为0V对称的交流信号。
(2)本发明的功率放大模块激励源输入引脚通过电阻接地，为输入偏置电流提供回路，避免了输出信号电压漂移。
(3)本发明的功率放大模块采用单端输入双端输出的结构，输出差分正弦信号作用于超声换能器两端电极，提高了超声换能器的驱动效率。
附图说明
图1为本发明的一种超声换能器激发系统实施例的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种超声换能器激发系统，包括超声换能器，其特征在于，还包括DAC信号调理模块、功率放大模块、阻抗匹配模块；其中，
所述超声换能器，用以响应激励，形成谐振，发出超声波；
所述DAC信号调理模块，用以跟随DAC输出的正弦信号，将正弦信号转换成正负变化的交流信号，并对幅值进行放大；
所述功率放大模块，用以将DAC信号调理模块输出的信号电压幅值和电流幅值同时放大，提高功率，驱动后级电路；
所述阻抗匹配模块，用以将功率放大模块输出阻抗与超声换能器阻抗进行匹配，进而以最高效率激发超声换能器产生超声波。
在本实施例中，如图1所示，所述DAC信号调理模块包括跟随缓冲级和反向放大级；其中，
所述跟随缓冲级的同向端+INA接收数模转换器输出的正弦信号，所述跟随缓冲级的反向端-INA与其输出端OUTA直连；
所述反向放大级包括串联的第一电阻R1、第二电阻R2、第三分压电阻R3、第四分压电阻R4；所述第一电阻R1、第二电阻R2串联，所述第一电阻R1、第二电阻R2之间连线的中间节点连接所述跟随缓冲级的反向输入端-INB；所述第三分压电阻R3、第四分压电阻R4的阻值相同；
所述第一电阻R1另一端与所述跟随缓冲级输出端OUTA连接；所述第二电阻R2另一端与反向放大级输出端OUTB连接；所述第三分压电阻R3、第四分压电阻R4串联，且所述第三分压电阻R3、第四分压电阻R4之间连线的中间节点连接所述跟随缓冲级的同向端+INB，第三分压电阻R3的另一端连接+3V参考电压，第四分压电阻R4的另一端接地。
作为更佳的实施例，所述DAC信号调理模块采用双电源供电，所述DAC信号调理模块调理的正弦波信号为0至3.0V的数字正弦波信号。所述功率放大模块包括功率运算放大器U1和功率运算放大器U2；所述功率放大器U1同向输入端+IN通过第一电容C1与反向放大级输出端OUTB连接。
作为更佳的实施例，所述阻抗匹配模块包括变压器U4、匹配电感L1和超声换能器Y1；其中，
所述变压器U4的原边端口1、端口4分别连接功率放大器U1、功率放大器U2的输出端OUT；所述的变压器U4副边端口3与超声换能器Y1连接；所述的电感L1一端与变压器U4副边端口6连接，另一端与超声换能器Y1连接。
作为另一实施例，所述功率放大模块采用双电源供电。
其中，所述DAC信号调理模块实现激励源由数模转换器产生正弦波，且正弦波周期个数由程序自由编程控制，激励电压幅值被放大调理到为0V对称的交流信号。所述功率放大模块激励源输入引脚通过电阻接地，为输入偏置电流提供回路，避免了输出信号电压漂移。所述功率放大模块采用单端输入双端输出的结构，输出差分正弦信号作用于超声换能器两端电极，以便提高超声换能器的驱动效率。
此外，在本发明中，该超声换能器激发系统的工作过程为：微控制器通过编程，产生离散的数字正弦波，经由DAC外设输出连续的模拟正弦波，模拟正弦波信号作用在DAC信号调理模块的跟随缓冲级，输入到反向放大级，放大倍数为(-R2/R1)，则反向放大级输出信号为Vout＝(-R2/R1)*Vin+(+3V/2)；
经过调理的正弦波信号作用于功率放大模块，放大倍数为-R6/R7、-R8/R7，功率放大器U1和功率放大器U2输出端输出相位相反的正弦波；
相位相反的正弦波作用于变压器U4的原边，由副边输出通过匹配电感L1加载在超声换能器的两个电极上，发出超声波；
匹配电感L1可由公式L＝(C0RS 2)/(1+(ωsC0Rs)2)理论计算，其中C0是超声换能器静态电容，RS是其动态电阻。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种超声换能器激发系统，包括超声换能器，其特征在于，还包括DAC信号调理模块、功率放大模块、阻抗匹配模块；其中，
所述超声换能器，用以响应激励，形成谐振，发出超声波；
所述DAC信号调理模块，用以跟随DAC输出的正弦信号，将正弦信号转换成正负变化的交流信号，并对幅值进行放大；
所述功率放大模块，用以将DAC信号调理模块输出的信号电压幅值和电流幅值同时放大，提高功率，驱动后级电路；
所述阻抗匹配模块，用以将功率放大模块输出阻抗与超声换能器阻抗进行匹配，进而以最高效率激发超声换能器产生超声波。
2.根据权利要求1所述的一种超声换能器激发系统，其特征在于：所述DAC信号调理模块包括跟随缓冲级和反向放大级；其中，
所述跟随缓冲级的同向端+INA接收数模转换器输出的正弦信号，所述跟随缓冲级的反向端-INA与其输出端OUTA直连；
所述反向放大级包括串联的第一电阻R1、第二电阻R2、第三分压电阻R3、第四分压电阻R4；所述第一电阻R1、第二电阻R2串联，所述第一电阻R1、第二电阻R2之间连线的中间节点连接所述跟随缓冲级的反向输入端-INB；所述第三分压电阻R3、第四分压电阻R4的阻值相同；
所述第一电阻R1另一端与所述跟随缓冲级输出端OUTA连接；所述第二电阻R2另一端与反向放大级输出端OUTB连接；所述第三分压电阻R3、第四分压电阻R4串联，且所述第三分压电阻R3、第四分压电阻R4之间连线的中间节点连接所述跟随缓冲级的同向端+INB，第三分压电阻R3的另一端连接+3V参考电压，第四分压电阻R4的另一端接地。
3.根据权利要求1所述的一种超声换能器激发系统，其特征在于：所述DAC信号调理模块采用双电源供电，所述DAC信号调理模块调理的正弦波信号为0至3.0V的数字正弦波信号。
4.根据权利要求1所述的一种超声换能器激发系统，其特征在于：所述功率放大模块包括功率运算放大器U1和功率运算放大器U2；所述功率放大器U1同向输入端+IN通过第一电容C1与反向放大级输出端OUTB连接。
5.根据权利要求1所述的一种超声换能器激发系统，其特征在于：所述阻抗匹配模块包括变压器U4、匹配电感L1和超声换能器Y1；其中，
所述变压器U4的原边端口1、端口4分别连接功率放大器U1、功率放大器U2的输出端OUT；所述的变压器U4副边端口3与超声换能器Y1连接；所述的电感L1一端与变压器U4副边端口6连接，另一端与超声换能器Y1连接。
6.根据权利要求1所述的一种超声换能器激发系统，其特征在于：所述功率放大模块采用双电源供电。
7.根据权利要求1所述的一种超声换能器激发系统，其特征在于：所述DAC信号调理模块实现激励源由数模转换器产生正弦波，且正弦波周期个数由程序自由编程控制，激励电压幅值被放大调理为0V对称的交流信号。
8.根据权利要求1所述的一种超声换能器激发系统，其特征在于：所述功率放大模块激励源输入引脚通过电阻接地，为输入偏置电流提供回路，避免了输出信号电压漂移。
9.根据权利要求1所述的一种超声换能器激发系统，其特征在于：所述功率放大模块采用单端输入双端输出的结构，输出差分正弦信号作用于超声换能器两端电极，以便提高超声换能器的驱动效率。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种超声换能器激发系统，其特征在于，其工作过程为：微控制器通过编程，产生离散的数字正弦波，经由DAC外设输出连续的模拟正弦波，模拟正弦波信号作用在DAC信号调理模块的跟随缓冲级，输入到反向放大级，放大倍数为(-R2/R1)，则反向放大级输出信号为Vout＝(-R2/R1)*Vin+(+3V/2)；
经过调理的正弦波信号作用于功率放大模块，放大倍数为-R6/R7、-R8/R7，功率放大器U1和功率放大器U2输出端输出相位相反的正弦波；
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