CN109632972A - 一种超声波激励电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超声波激励电路，其包括直流升压器、程控电压调节器、功率放大器和处理器；所述程控电压调节器的输入端连接直流升压器的输出端，受控端则连接处理器的第一输出端，该程控电压调节器根据处理器的激励电压控制信号输出一电压范围为0‑最大激励电压的激励电压信号；所述功率放大器具有两输入端和一输出端，其第一输入端连接程控电压调节器的输出端，第二输入端则连接处理器的第二输出端，输出端则作为超声波激励电路的输出端连接超声波换能器。本发明实现了超声波激励电路的小型化、高效率以及精确可控。

Description

一种超声波激励电路
技术领域
本发明涉及超声波应用领域，具体涉及一种超声波激励电路。
背景技术
在超声波测量领域中，通常发射一定频率、一定功率的超声波到被测物，通过接收被测物反射的回波，并判断其回波特性来对被测物的一些特征进行测量。超声波的产生是通过一激励信号作用于超声波换能器，将电能转换为声能发送出去，介质可为空气、液体甚至固体。传统超声波换能器的激励信号的产生电路通常由变压器或升压电感所组成的电路产生。
对于使用传统变压器的电路，电路上产生的小信号激励，通过变压器进行电压放大之后再去驱动超声波换能器。由于变压器的匝数比不能改变，导致激励电压无法控制，只能限定在一个固定电压上，限制了电路在不同应用场景与环境下的适应性。同时变压器过大的体积导致产品无法小型化，进一步限制了其在需要小体积这种特殊领域的应用。
对于使用升压电感的电路，电路上的实现是在激励之前对电感进行储能，然后瞬间释放获取一个高压窄脉冲去驱动超声波换能器。每次驱动的能量受制于电感的储能量，需要增大驱动功率时势必增大电感的体积。同时电感所产生的高压激励信号无法控制，大部分情况下无法很好地匹配换能器的固有谐振特性，进而导致驱动效率低下，无法实现在被测物距离较远或较近情况下的有效测量。
有鉴于此，本发明人针对上述超声波换能器激励信号的产生电路所存在的诸多问题进行深入构思，进而开发出本发明。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种小型化、高效率、精确可控的超声波激励电路。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种超声波激励电路，其包括直流升压器、程控电压调节器、功率放大器和处理器；所述直流升压器的输入端作为超声波激励电路的输入端连接外部供电，输出端则输出最大激励电压；
所述处理器设有两输出端，其第一输出端用于输出一激励电压控制信号，第二输出端则用于输出一激励波形控制信号；
所述程控电压调节器的输入端连接直流升压器的输出端，受控端则连接处理器的第一输出端，该程控电压调节器根据处理器的激励电压控制信号输出一电压范围为0-最大激励电压的激励电压信号；
所述功率放大器具有两输入端和一输出端，其第一输入端连接程控电压调节器的输出端，第二输入端则连接处理器的第二输出端，输出端则作为超声波激励电路的输出端连接超声波换能器。
所述直流升压器包括电源芯片IC1、电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、电感L1和二极管D1，电容C1一端连接直流升压器的输入端，另一端接地；电源芯片IC1的EN引脚和IN引脚均连接直流升压器的输入端，电感L1的一端连接直流升压器的输入端，另一端一方面连接电源芯片IC1的SW引脚，另一方面连接二极管D1的阳极，而二极管D1的阴极连接直流升压器的输出端；电阻R1一端连接直流升压器的输出端，另一端连接电源芯片IC1的FB引脚，同时，该端还经由电阻R2接地；电容C2的一端连接直流升压器的输出端，另一端接地。
所述处理器采用单片机IC3实现，单片机IC3的DAC引脚作为第一输出端连接程控电压调节器的受控端，单片机IC3的DRV引脚作为第二输出端连接功率放大器的第二输入端。
所述程控电压调节器包括运算放大器IC2、三极管Q1、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R36、电容C3、电容C4、电容C5和电容C6，电容C4的一端连接程控电压调节器的输入端，另一端接地；运算放大器IC2的1脚一方面经由电阻R3连接程控电压调节器的受控端，另一方面经由电容C3接地，运算放大器的2脚接地，3脚经由电阻R5接地，4脚连接三极管Q1的基极，5脚则连接程控电压调节器的输入端；三极管Q1的集电极连接程控电压调节器的输入端，发射极连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接电阻R5连接运算放大器IC2的3脚的一端；电容C5的一端连接三极管Q1的发射极，另一端接地，电容C6则并连在电阻R5的两端，电阻R36一端连接三极管Q1的发射极，另一端则连接程控电压调节器的输出端。
所述功率放大器包括三极管Q2、三极管Q3、三极管Q6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R56、电容C7、电容C8和双向出发二极管D2，电容C7的一端连接功率放大器的第一输入端，另一端接地；电阻R56的一端连接功率放大器的第一输入端，另一端连接三极管Q2的基极，三极管Q2的集电极连接功率放大器的第一输入端，发射极经由双向触发二极管连接功率放大器的输出端，同时发射极还经由电阻R7连接三极管Q2的基极；三极管Q3的基极连接二极管Q2的基极，三极管Q3的发射极连接二极管Q2的发射极，三极管Q3的集电极接地；三极管Q6的基极一方面经由并联设置的电阻R8和电容C8连接功率放大器的第二输入端，另一方面经由电阻R9接地，三极管Q6的集电极连接三极管Q3的基极，三极管Q6的发射极则接地。
采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：
一、由于不采用变换器或激励电感，电路上所使用的电子器件按照现代工艺制作，体积非常小，进而实现了整体电路的体积缩减。
二、本发明不使用电感储能，不会产生能量损耗，且设计电路均使用微功耗器件设计，保证所输入能量能最大限度地传输到超声波换能器。
三、本发明中输出激励电压的幅度是严格受单片机IC3的DAC输出脚电压控制的，与其输出电压成线性比例。因为单片机IC3的DAC输出脚的输出电压精度可达到12bit，因此能实现激励电压的精确控制。
附图说明
图1为本发明超声波激励电路的原理框图；
图2为本发明超声波激励电路的具体电路图。
具体实施方式
如图1所示，本发明揭示了一种超声波激励电路，其包括直流升压器、程控电压调节器、功率放大器和处理器。
其中，直流升压器用于将一直流电压变换为激励所需的最大激励电压，其输入端作为超声波激励电路的输入端连接外部供电，外部供电可以是一个不高于最大激励电压的可变直流电压源，输出端则输出最大激励电压。
处理器设有两输出端，其第一输出端用于输出一激励电压控制信号，第二输出端则用于输出一激励波形控制信号。
程控电压调节器的输入端连接直流升压器的输出端，受控端则连接处理器的第一输出端，该程控电压调节器根据处理器的激励电压控制信号输出一电压范围为0-最大激励电压的激励电压信号。
功率放大器的具有两输入端和一输出端，其第一输入端连接程控电压调节器的输出端，第二输入端则连接处理器的第二输出端，功率放大器的输出端则作为超声波激励电路的输出端连接超声波换能器。
如图2所示，上述直流升压器包括电源芯片IC1（型号为MP1540）、电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、电感L1和二极管D1，电容C1一端连接直流升压器的输入端，另一端接地；电源芯片IC1的EN引脚和IN引脚均连接直流升压器的输入端，电感L1的一端连接直流升压器的输入端，另一端一方面连接电源芯片IC1的SW引脚，另一方面连接二极管D1的阳极，而二极管D1的阴极连接直流升压器的输出端；电阻R1一端连接直流升压器的输出端，另一端连接电源芯片IC1的FB引脚，同时，该端还经由电阻R2接地；电容C2的一端连接直流升压器的输出端，另一端接地。
输入的直流电压经过C1滤波，同时输入到电源芯片IC1的IN引脚及EN引脚，使能电源芯片IC1。电源芯片IC1的SW引脚输出PWM脉宽调制波形，当拉低电感L连接SW引脚的一端到地，给电感L1储能。当电源芯片IC1的SW引脚释放时，电感L1上的电能量通过二极管D1给电容C2充电。电容C2上的电压通过电阻R1及电阻R2分压之后输入到电源芯片IC1的FB引脚，用来检测当前电容C2上的电压值。当电容C2上电压值与所期望的最大激励输出电压值有偏差时，电源芯片IC1自动调整其SW引脚的PWM脉宽调制波形，从而稳定输出电压。
上述处理器采用单片机IC3（可以采用STM32F系列等类似器件）实现，单片机IC3的DAC引脚作为第一输出端连接程控电压调节器的受控端，单片机IC3的DRV引脚作为第二输出端连接功率放大器的第二输入端。
程控电压调节器包括运算放大器IC2（LM321）、三极管Q1、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R36、电容C3、电容C4、电容C5和电容C6，电容C4的一端连接程控电压调节器的输入端，另一端接地；运算放大器IC2的1脚一方面经由电阻R3连接程控电压调节器的受控端，另一方面经由电容C3接地，运算放大器的2脚接地，3脚经由电阻R5接地，4脚连接三极管Q1的基极，5脚则连接程控电压调节器的输入端；三极管Q1的集电极连接程控电压调节器的输入端，发射极连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接电阻R5连接运算放大器IC2的3脚的一端；电容C5的一端连接三极管Q1的发射极，另一端接地，电容C6则并连在电阻R5的两端，电阻R36一端连接三极管Q1的发射极，另一端则连接程控电压调节器的输出端。
输入的最大激励电压经过电容C4滤波后，输入到三极管Q1的集电极，三极管Q1的导通特性受到运算放大器IC2的4脚输出端的控制。程控电压调节器的输出端的输出电压由电容C5进行滤波输出，同时此输出电压经过电阻R4、电阻R5、电容C6进行分压输入到运算放大器IC2的负端。单片机IC3的DAC引脚输出一电压值，输入到运算放大器IC2的正端。两个输入信号在运算放大器IC2内进行比较，从而控制算放大器IC2的4脚输出端，以此来控制三极管Q1的导通特性，从而调节输出的电压大小。
功率放大器包括三极管Q2、三极管Q3、三极管Q6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R56、电容C7、电容C8和双向出发二极管D2，电容C7的一端连接功率放大器的第一输入端，另一端接地；电阻R56的一端连接功率放大器的第一输入端，另一端连接三极管Q2的基极，三极管Q2的集电极连接功率放大器的第一输入端，发射极经由双向触发二极管连接功率放大器的输出端，同时发射极还经由电阻R7连接三极管Q2的基极；三极管Q3的基极连接二极管Q2的基极，三极管Q3的发射极连接二极管Q2的发射极，三极管Q3的集电极接地；三极管Q6的基极一方面经由并联设置的电阻R8和电容C8连接功率放大器的第二输入端，另一方面经由电阻R9接地，三极管Q6的集电极连接三极管Q3的基极，三极管Q6的发射极则接地。
三极管Q2及三极管Q3构成一个推腕式输出级。单片机IC3输出一串占空比为50%的激励方波，当单片机IC3的DRV引脚输出高电平时，三极管Q6导通，进而导致三极管Q2截止，而三极管Q3导通，超声波换能器的正端通过双向二极管D2拉到地。当单片机IC3的DRV引脚输出低电平时，三极管Q6截止，进而导致三极管Q3截止而三极管Q2导通，程控电压调节器输出的电压经过电阻R36、三极管Q2及双向二极管D2加载到超声波换能器的正端。
本发明由于不采用变换器或激励电感，电路上所使用的电子器件按照现代工艺制作，体积非常小，进而实现了整体电路的体积缩减。
不使用电感储能，不会产生能量损耗，且设计电路均使用微功耗器件设计，保证所输入能量能最大限度地传输到超声波换能器。
输出激励电压的幅度是严格受单片机IC3的DAC输出脚电压控制的，与其输出电压成线性比例。因为单片机IC3的DAC输出脚的输出电压精度可达到12bit，因此能实现激励电压的精确控制。
以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种超声波激励电路，其特征在于：所述电路包括直流升压器、程控电压调节器、功率放大器和处理器；所述直流升压器的输入端作为超声波激励电路的输入端连接外部供电，输出端则输出最大激励电压；
所述处理器设有两输出端，其第一输出端用于输出一激励电压控制信号，第二输出端则用于输出一激励波形控制信号；
所述程控电压调节器的输入端连接直流升压器的输出端，受控端则连接处理器的第一输出端，该程控电压调节器根据处理器的激励电压控制信号输出一电压范围为0-最大激励电压的激励电压信号；
所述功率放大器具有两输入端和一输出端，其第一输入端连接程控电压调节器的输出端，第二输入端则连接处理器的第二输出端，输出端则作为超声波激励电路的输出端连接超声波换能器。
2.根据权利要求1所述的一种超声波激励电路，其特征在于：所述直流升压器包括电源芯片IC1、电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、电感L1和二极管D1，电容C1一端连接直流升压器的输入端，另一端接地；电源芯片IC1的EN引脚和IN引脚均连接直流升压器的输入端，电感L1的一端连接直流升压器的输入端，另一端一方面连接电源芯片IC1的SW引脚，另一方面连接二极管D1的阳极，而二极管D1的阴极连接直流升压器的输出端；电阻R1一端连接直流升压器的输出端，另一端连接电源芯片IC1的FB引脚，同时，该端还经由电阻R2接地；电容C2的一端连接直流升压器的输出端，另一端接地。
3.根据权利要求1所述的一种超声波激励电路，其特征在于：所述处理器采用单片机IC3实现，单片机IC3的DAC引脚作为第一输出端连接程控电压调节器的受控端，单片机IC3的DRV引脚作为第二输出端连接功率放大器的第二输入端。
4.根据权利要求1所述的一种超声波激励电路，其特征在于：所述程控电压调节器包括运算放大器IC2、三极管Q1、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R36、电容C3、电容C4、电容C5和电容C6，电容C4的一端连接程控电压调节器的输入端，另一端接地；运算放大器IC2的1脚一方面经由电阻R3连接程控电压调节器的受控端，另一方面经由电容C3接地，运算放大器的2脚接地，3脚经由电阻R5接地，4脚连接三极管Q1的基极，5脚则连接程控电压调节器的输入端；三极管Q1的集电极连接程控电压调节器的输入端，发射极连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接电阻R5连接运算放大器IC2的3脚的一端；电容C5的一端连接三极管Q1的发射极，另一端接地，电容C6则并连在电阻R5的两端，电阻R36一端连接三极管Q1的发射极，另一端则连接程控电压调节器的输出端。
5.根据权利要求1所述的一种差声波激励电路，其特征在于：所述功率放大器包括三极管Q2、三极管Q3、三极管Q6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R56、电容C7、电容C8和双向出发二极管D2，电容C7的一端连接功率放大器的第一输入端，另一端接地；电阻R56的一端连接功率放大器的第一输入端，另一端连接三极管Q2的基极，三极管Q2的集电极连接功率放大器的第一输入端，发射极经由双向触发二极管连接功率放大器的输出端，同时发射极还经由电阻R7连接三极管Q2的基极；三极管Q3的基极连接二极管Q2的基极，三极管Q3的发射极连接二极管Q2的发射极，三极管Q3的集电极接地；三极管Q6的基极一方面经由并联设置的电阻R8和电容C8连接功率放大器的第二输入端，另一方面经由电阻R9接地，三极管Q6的集电极连接三极管Q3的基极，三极管Q6的发射极则接地。
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