CN109877027B - 一种超声波换能器的阻抗匹配与收发功能切换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声波换能器的阻抗匹配与收发功能切换电路，其特征在于，包括信号发射回路、信号接收回路和收发切换电路。本发明满足了超声波换能器作为发射器和接收器高质量高效率工作的要求，收发电路之间切换灵活方便，便于微处理器控制，同时避免了收发电路之间的干扰，保证了作为发射器时的高效率和作为接收器时的良好的信噪比。本发明的整体电路设计基于系统高精度低成本和复杂工作环境的核心要求，实现信号低失真度、低杂散信号辐射、低功耗的设计目标，满足换能器的阻抗匹配要求和系统功能的高效灵活切换。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波换能器的阻抗匹配与收发功能切换电路，属于超声波气体计量的技术领域。
背景技术
超声波换能器的功能是将输入的电能量转换成机械能量，并以声波的形式发射出去，或者将接收到的声波能量(一种机械振动能)转换为电能，由后端的电路及微处理器做电子化和数字化处理。
超声波计量设备的国家和行业标准对计量精度和重复性，批量生产产品的一致性都有严格明确的要求，设备必须能够在复杂电磁与声波干扰、恶劣的温度和湿度环境正常工作，适应不同的测量介质以及介质组份变化。为了满足上述要求，设备的测量控制电路必须有良好的噪声抑制和抗干扰能力，保证工作信号质量。本发明涉及的超声波换能器的阻抗匹配电路能够有效抑制杂散信号，提高有效测量信号的信噪比，保证了在各种恶劣工作环境下的计量精度和稳定性。
作为电池供电的设备必须实现超低功耗设计，延长电池寿命，尽可能减少更换电池频率，降低设备的使用维护费用。本发明涉及的超声波换能器的阻抗匹配设计能够显著地提高能量转化效率，避免高压电路，满足本质安全设计要求，达到单节19安时锂电池稳定工作15年的设计目标。
除了节能，困扰现有民用级产品竞争推广的还包括成本因素，为此，本发明涉及的超声波换能器收发功能切换电路通过共用部分电路元器件，既保证了收发电路之间的频域性能的一致性，又最大限度减少了器件用量，实现低成本的设计目的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种超声波换能器的阻抗匹配与收发功能切换电路。
发明概述及术语解释：
超声波换能器的阻抗匹配电路，为了满足低功耗要求，在换能器实现能量转换的过程中要求自身消耗的能量尽可能地低，输出的信号幅度尽可能地高，同时本发明设计要求尽可能地避免高电压驱动。高的换能效率由良好的阻抗匹配电路来实现，良好的阻抗匹配电路还要能有效抑制杂散信号，保证工作信号的低失真度，达到计量精度的高要求。
换能器收发及切换电路，超声波换能器既可以作为发射器，又可以作为接收器，好的收发电路设计要求，在避免相互干扰的前提下，既能满足在信号收发功能之间的灵活随意切换，又尽可能多地共用部分电路，提高电子元器件的利用效率、降低成本。
本发明的技术方案如下：
一种超声波换能器的阻抗匹配与收发功能切换电路，其特征在于，包括信号发射回路、信号接收回路和收发切换电路；
其中，所述信号发射回路包括信号调制器SM、变压器T1、信号调制输入电路阻抗Xp、阻尼电阻R1、谐振电容C1、保护电阻R2和换能器Td；
作为阻抗匹配器件变压器T1原边绕组接信号调制器SM及其输出电路，副边绕组接作为负载的换能器Td及其接口电路，则所述变压器T1原、副线圈的匝数比由以下公式(1)确定：
在公式(1)中，阻抗匹配器件变压器T1原、副两端电路的阻抗分别用Zp和Zs表示；
其中，所述信号接收回路包括换能器Td、谐振电容C1、保护电阻R2、阻尼电阻R1、变压器T1的副边电感以及系统后端的信号放大整形电路Amp、模数转换器ADC、数字信号处理器DSP；
所述换能器Td、谐振电容C1、保护电阻R2、阻尼电阻R1和变压器T1的副边电感与信号发射回路共用；
变压器T1的副边电感Ls、阻尼电阻R1、谐振电容C1以及换能器Td共同构成一个串联谐振RLC电路，谐振频率f0为：
在公式(2)中，L为变压器T1的副边电感Ls和换能器Td的等效电感组成的总电感，C为谐振电容C1和换能器Td的等效电容组成的总电容；
所述串联谐振RLC电路的阻抗为：
在公式(3)中R为总阻尼电阻，j为虚数单位，f为信号频率，XL为所述串联谐振RLC电路的总感抗：
XL＝j2πfL (4)
XC为该串联谐振RLC电路的总容抗：
其中，所述收发切换电路包括微处理器控制的单刀双掷开关SW实现:当开关SW切换到Tx端时，信号接收回路后端的放大整形电路Amp、模数转换器ADC、数字信号处理器DSP与信号发射回路隔离，电路进入发射状态；当开关SW切换到Rx端时，变压器T1原边一侧的电路与系统隔离，电路进入信号接收状态。
本发明的技术优势：
本发明为了满足了超声波换能器作为发射器和接收器高质量高效率工作的要求，收发电路之间切换灵活方便，便于微处理器控制，同时避免了收发电路之间的干扰，保证了作为发射器时的高效率和作为接收器时的良好的信噪比。本发明的整体电路设计基于系统高精度低成本和复杂工作环境的核心要求，实现信号低失真度、低杂散信号辐射、低功耗的设计目标，满足换能器的阻抗匹配要求和系统功能的高效灵活切换。
附图说明
图1是超声波换能器收发阻抗匹配和切换电路电路原理图。
图2的虚线内是超声波换能器信号发射回路。
图3的虚线内是超声波换能器信号接收回路。
图4是本发明电路相对于工作频率f0的频率响应曲线，通过选择阻尼电阻R1的阻值确定有效信号的输出，显示为两条曲线，阻尼电阻2的阻值为阻尼电阻1阻值的2倍。
图5是本发明应用于超声波燃气表的测量控制系统结构框图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
实施例
如图1-3所示。
一种超声波换能器的阻抗匹配与收发功能切换电路，包括信号发射回路、信号接收回路和收发切换电路；
其中，所述信号发射回路包括信号调制器SM、变压器T1、信号调制输入电路阻抗Xp、阻尼电阻R1、谐振电容C1、保护电阻R2和换能器Td；
作为阻抗匹配器件变压器T1原边绕组接信号调制器SM及其输出电路，副边绕组接作为负载的换能器Td及其接口电路，则所述变压器T1原、副线圈的匝数比由以下公式(1)确定：
在公式(1)中，阻抗匹配器件变压器T1原、副两端电路的阻抗分别用Zp和Zs表示；
其中，所述信号接收回路包括换能器Td、谐振电容C1、保护电阻R2、阻尼电阻R1、变压器T1的副边电感以及系统后端的信号放大整形电路Amp、模数转换器ADC、数字信号处理器DSP；
所述换能器Td、谐振电容C1、保护电阻R2、阻尼电阻R1和变压器T1的副边电感与信号发射回路共用；
变压器T1的副边电感Ls、阻尼电阻R1、谐振电容C1以及换能器Td共同构成一个串联谐振RLC电路，谐振频率f0为：
在公式(2)中，L为变压器T1的副边电感Ls和换能器Td的等效电感组成的总电感，C为谐振电容C1和换能器Td的等效电容组成的总电容；
所述串联谐振RLC电路的阻抗为：
在公式(3)中R为总阻尼电阻，j为虚数单位，f为信号频率，XL为所述串联谐振RLC电路的总感抗：
XL＝j2πfL (4)
XC为该串联谐振RLC电路的总容抗：
通过选择适当的谐振电容C1的值使得信号接收回路的前端成为串联谐振电路，有效信号频率同谐振频率f0一致，这时XL＝-XC，电路的总阻抗Z＝R，表现为纯电阻，并且处于最小值，有效信号损耗最低，而不同频率的杂散信号却可以受到抑制，因此该电路可以有效抑制杂散谐波的干扰，减少高次谐波所引起的额外功耗，提高信噪比，降低信号失真度。
其中，所述收发切换电路包括微处理器控制的单刀双掷开关SW实现:当开关SW切换到Tx端时，信号接收回路后端的放大整形电路Amp、模数转换器ADC、数字信号处理器DSP与信号发射回路隔离，电路进入发射状态；当开关SW切换到Rx端时，变压器T1原边一侧的电路与系统隔离，电路进入信号接收状态。所述电路切换操作通过编程软件在所述微处理器中执行完成，快速方便灵活。
应用例、
如图5为本发明应用于超声波燃气表的测量控制系统结构框图。
将本发明所述的一种超声波换能器的阻抗匹配与收发功能切换电路应用在超声波燃气表的测量控制系统中：因为良好的阻抗匹配，超声波换能器的驱动和接收电路具有极好的效率和极低的功耗，与低功耗微处理器配合实现了单节19安时锂电池供电稳定工作15年的设计目标。其中超声波换能器的驱动电路只需6V的工作电压，毫秒间隔、毫安级的最大驱动电流即可满足在复杂电磁与声波干扰、恶劣的温度和湿度环境，以及不同的测量介质以及介质组份情况下正常工作。
本发明同时具有良好的频率特性，在工作频率f0附近超声波换能器的驱动和接收电路具有极高的效率，偏离工作频率f0的杂散信号阻抗快速增大而受到抑制，实现良好的信噪比。下图所示的两条曲线是通过选择阻尼电阻R1的阻值确定有效信号的输出。
Claims (3)
1.一种超声波换能器的阻抗匹配与收发功能切换电路，其特征在于，包括信号发射回路、信号接收回路和收发切换电路；
其中，所述信号发射回路包括信号调制器SM、变压器T1、信号调制输入电路阻抗Xp、阻尼电阻R1、谐振电容C1、保护电阻R2和换能器Td；所述信号调制器SM的输入端通过阻抗Xp与变压器T1原边绕组的第一端相连，信号调制器SM的输出端与变压器T1原边绕组的第二端相连；变压器T1副边绕组的第一端与阻尼电阻R1的第一端相连，变压器T1副边绕组的第二端与收发切换电路中的单刀双掷开关SW相连，阻尼电阻R1的第二端与换能器Td相连，换能器Td接地设置；谐振电容C1和保护电阻R2均与变压器T1的副边绕组相并联，且谐振电容C1的第一极板及保护电阻R2的第一端均与阻尼电阻R1的第二端相连，谐振电容C1的第二极板及保护电阻R2的第二端均接地设置；
其中，所述信号接收回路包括换能器Td、谐振电容C1、保护电阻R2、阻尼电阻R1、变压器T1的副边电感以及系统后端的信号放大整形电路Amp、模数转换器ADC、数字信号处理器DSP；所述变压器T1的副边电感的第一端与阻尼电阻R1的第一端相连，变压器T1副边电感的第二端与收发切换电路中的单刀双掷开关SW相连，阻尼电阻R1的第二端与换能器Td相连，换能器Td接地设置；谐振电容C1和保护电阻R2均与变压器T1的副边电感相并联，且谐振电容C1的第一极板及保护电阻R2的第一端均与阻尼电阻R1的第二端相连，谐振电容C1的第二极板及保护电阻R2的第二端均接地设置；信号放大整形电路Amp的输入端与单刀双掷开关SW相连，信号放大整形电路Amp的输出端与模数转换器ADC的输入端相连，模数转换器ADC的输出端与数字信号处理器DSP相连；
所述换能器Td、谐振电容C1、保护电阻R2、阻尼电阻R1和变压器T1的副边电感与信号发射回路共用；
其中，所述收发切换电路包括微处理器控制的单刀双掷开关SW实现：当开关SW切换到Tx端时，信号接收回路后端的放大整形电路Amp、模数转换器ADC、数字信号处理器DSP与信号发射回路隔离，电路进入发射状态；当开关SW切换到Rx端时，变压器T1原边一侧的电路与系统隔离，电路进入信号接收状态。
2.根据权利要求1所述的一种超声波换能器的阻抗匹配与收发功能切换电路，其特征在于，作为阻抗匹配器件变压器T1原边绕组接信号调制器SM及其输出电路，副边绕组接作为负载的换能器Td及其接口电路，则所述变压器T1原、副线圈的匝数比由以下公式(1)确定：
在公式(1)中，阻抗匹配器件变压器T1原、副两端电路的阻抗分别用Zp和Zs表示；
变压器T1的副边电感Ls、阻尼电阻R1、谐振电容C1以及换能器Td共同构成一个串联谐振RLC电路，谐振频率f0为：
在公式(2)中，L为变压器T1的副边电感Ls和换能器Td的等效电感组成的总电感，C为谐振电容C1和换能器Td的等效电容组成的总电容。
3.根据权利要求2所述的一种超声波换能器的阻抗匹配与收发功能切换电路，其特征在于，所述串联谐振RLC电路的阻抗为：
在公式(3)中R为由阻尼电阻R1、保护电阻R2以及换能器Td的内阻共同构成的总阻尼电阻，j为虚数单位，f为信号频率，XL为所述串联谐振RLC电路的总感抗：
XL＝j2πfL (4)
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