CN112129841A - 带有a/d转换功能的超声波发射与接收电路系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种带有A/D转换功能的超声波发射与接收电路系统，包括：微控制器电路，超声波模拟前端电路，超声波驱动升压电路，超声波三级可调放大电路，超声波A/D转换电路，A/D转换驱动电路及数字数据缓存电路；发射超声波时，微控制器电路发送开始信号，超声波模拟前端电路再发射激励脉冲，超声波驱动升压电路将激励脉冲升压处理后发送至超声波传感器；接收超声波时，超声波模拟前端电路将得到的电信号放大，如未达到预设放大倍数，则超声波三级可调放大电路继续放大，A/D转换驱动电路将达到预设值的放大信号转换至预设电压范围；超声波A/D转换电路进行模数转换并发送至数字数据缓存电路缓存，再由微控制器电路读取缓存。

Description

带有A/D转换功能的超声波发射与接收电路系统
技术领域
本发明涉及超声波技术领域，特别涉及一种带有A/D转换功能的超声波发射与接收电路系统。
背景技术
超声波在现代测量与检测方面有着巨大的发展前景，有某些方面测量与检测中要将超声波信号进行A/D转换才能进行后续信号处理。
超声波传感器产生超声波的原理：发射探头中含有压电材料、压电材料在接收到电脉冲激励时会产生震动，震动便产生了超声波，即发射探头的作用是将电能转换成了声能。超声波的接收原理是，当接收探头中的压电材料在接收到超声波时，会产生电压，即将声能转换成了电能，而接受到的就电能非常方便的做下一步处理。即压电材料在受到电信号的作用时会产生超声波、反之当压电材料受到超声波的作用时又会产生电信号。
超声波在测量与检测方面有着非常广泛的应用，其基本原理是，超声波由发射传感器发出后，在待检测物体中穿行后到达接收传感器，接受传感器接收到的超声波带有反应待检测物体某种特性的丰富信息，分析接收到的超声波便可以得到这种特性从而达到检测的目的。但是，接收到的超声波信号还要进行A/D转换后进行数字信号处理才能得到这种特性。
此外，超声波从超声波传感器发射出后，在介质中传播的过程中会产生衰减，衰减之后的超声波幅值太小无法进行A/D转换，所以要将接收到的超声波信号进行一定程度的放大。为了进行超声信号的接收及精确处理，现有技术中的发射及接收电路在进行超声发射和接收时往往存在体积大、功耗高的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有A/D转换功能的超声波发射与接收电路系统，以解决现有的发射及接收电路在进行超声发射和接收时往往存在体积大、功耗高的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种带有A/D转换功能的超声波发射与接收电路系统，包括：微控制器电路，超声波模拟前端电路，超声波驱动升压电路，超声波三级可调放大电路，超声波A/D转换电路，A/D转换驱动电路及数字数据缓存电路；
发射超声波时，所述微控制器电路用于向所述超声波模拟前端电路发送开始信号，所述超声波模拟前端电路用于在收到所述开始信号后发射激励脉冲，所述超声波驱动升压电路用于将所述激励脉冲进行升压处理后发送至超声波传感器以发射超声波；
接收超声波时，所述超声波传感器将声信号转化成电信号，所述超声波模拟前端电路用于将所述电信号进行放大得到第一放大信号，如所述第一放大信号未达到预设放大倍数，则由所述超声波三级可调放大电路将所述第一放大信号继续放大得到第二放大信号，所述A/D转换驱动电路用于将达到预设阈值的所述第一放大信号或所述第二放大信号转换至预设电压范围内；所述超声波A/D转换电路用于将所述A/D转换驱动电路转换的信号进行模数转换并发送至所述数字数据缓存电路进行缓存，所述微控制器电路读取所述数字数据缓存电路中缓存的数字信号完成超声波的接收。
较佳地，所述微控制器电路包括STM32F103ZET6微控制器及其外围电路。
较佳地，所述超声波模拟前端电路包括TDC1000及其外围电路。
较佳地，所述激励脉冲为3.3V的脉冲信号，所述超声波驱动升压电路将所述激励脉冲进行升压处理后得到30V的激励脉冲信号并作用在所述超声波传感器上。
较佳地，所述微控制器电路与所述超声波模拟前端电路通过SPI的方式连接以使所述微控制器电路通过SPI数据线向所述超声波模拟前端电路写入操作命令。
较佳地，所述微控制器电路还用于读取所述数字信号的最大值，并判断读取的最大值是否高于或低于预设阈值，如是，则控制所述超声波模拟前端电路或所述超声波三级可调放大电路降低或提高放大倍数。
较佳地，还包括：功能扩展电路，用于提供对电路系统进行二次开发的接口。
较佳地，所述超声波三级可调放大电路包括MAX660芯片、MAX4223芯片及其外围电路，所述MAX660芯片用于为所述MAX4223芯片提供±5V的电源电压，所述MAX4223芯片用于对所述第一放大信号继续放大得到第二放大信号。
本发明提供了一种带有A/D转换功能的超声波发射与接收系统，并提供了系统电路的具体芯片，该系统可以应用于超声波无损探伤方面，并且还具有体积小、低功耗等特点。
附图说明
图1为本发明带有A/D转换功能的超声波发射与接收电路系统组成示意图；
图2为本发明优选实施例的超声波模拟前端电路图；
图3为本发明优选实施例的超声波驱动升压电路图；
图4为本发明优选实施例的超声波三级可调放大电路图；
图5为本发明优选实施例的A/D驱动电路图；
图6为本发明优选实施例的超声波A/D转换电路及数字数据缓存电路图。
具体实施方式
以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。
参考图1所示，本实施例提供了一种带有A/D转换功能的超声波发射与接收电路系统，包括：微控制器电路10，超声波模拟前端电路20，超声波驱动升压电路30，超声波三级可调放大电路40，超声波A/D转换电路50，A/D转换驱动电路60及数字数据缓存电路70。
发射超声波时，微控制器电路10用于向超声波模拟前端电路20发送开始信号，超声波模拟前端电路20在收到开始信号后发射激励脉冲，超声波驱动升压电路30用于将激励脉冲进行升压处理后发送至超声波传感器80以发射超声波；
接收超声波时，超声波传感器80将声信号转化成电信号，超声波模拟前端电路20用于将来自超声波传感器80的电信号进行放大得到第一放大信号，如第一放大信号未达到预设放大倍数，则由超声波三级可调放大电路40将第一放大信号继续放大得到第二放大信号，A/D转换驱动电路60用于将达到预设阈值的第一放大信号或第二放大信号转换至预设电压范围内；超声波A/D转换电路50用于将A/D转换驱动电路转换的信号进行模数转换并发送至数字数据缓存电路70进行缓存，微控制器电路10读取数字数据缓存电路70中缓存的数字信号完成超声波的接收。
具体地，本实施例中的微控制器电路包括STM32F103ZET6微控制器及其外围电路。STM32F103ZET6是意法半导体公司基于ARM Cortex-M3内核STM32F103ZET6系列的32位微控制器。STM32F103ZET6具有丰富引脚可以实现各种控制功能，且方便本领域技术人员根据需要对其进行任意配置。本实施例中，STM32F103ZET6微控制器是整个系统的核心，负责调度其它电路模块的运行，并进行数学运算。STM32F103ZET6微控制器的一个引脚与超声波模拟前端电路连接，系统发送超声波时，就首先由该STM32微控制器向超声波模拟前端电路发送开始信号。
参考图2所示，本实施例中的超声波模拟前端电路包括TDC1000及其外围电路。TDC1000的LANOUT引脚依次与电容C14和PGAIN引脚相连。TDC1000的PGAOUT引脚依次按顺序经过电阻R13、电容C21、电容C22与后级电路相连。在超声波模拟前端TDC1000收到开始信号后，则由其TX1引脚会发射出3.3V的激励脉冲至超声波驱动升压电路。在接收超声波信号时，TDC1000还用于接收超声波并对接收到的超声波进行初步放大。本实施例中，TDC1000的RX1引脚接收超声波的回波信号。TDC1000中集成有两级信号放大器，其中第一级放大器为固定增益低噪声放大器LNA，第二级放大器为可编程放大器PGA。超声波信号由引脚RX1首先进入第一级固定增益放大器LNA，超声波信号被第一次放大后，从引脚LANOUT输出，经过电容C14后由引脚PGAIN进入第二级可编程放大器PGA被第二次放大。其中电容C14为滤波电容，可以滤除高频杂波。经放大后的信号从引脚PGAOUT输出进入后级电路。
如图3所示，本实施例中，超声波驱动升压电路分别由LM2577芯片、UCC27531芯片按图3中顺序与一系列电阻、电容、电感、二极管相连组成。其中，LM2577芯片的功能是为UCC27531芯片提供30V的电源电压，UCC27531的功能是将3.3V脉冲转化为30V脉冲。超声波模拟前端TDC1000的TX1引脚与超声波驱动升压电路中的UCC27531芯片的IN引脚相连。这样在该超声波驱动升压电路接收到激励脉冲后，将该3.3V的激励脉冲进行升压处理后，得到30V的激励脉冲信号，并将激励脉冲信号作用在超声波传感器上，从而刺激超声波传感器使其发送出超声波信号。通过该超声波驱动升压电路可以进一步增加超声波的发射功率。
参考图4，本实施例中的超声波三级可调放大电路分别由MAX660芯片、MAX4223芯片按图4中顺序与一系列电阻、电容、电感相连组成。MAX660芯片功能是为MAX4223芯片提供±5V的电源电压。MAX4223芯片的功能是对信号进行放大，图4中共有3片MAX4223芯片从左到右分别标记为P7、P8、P9，P7的LV引脚依次与电阻R15、电容C25、P8的IN+引脚相连，P8的LV引脚依次与电容C26、电阻R16、P9的IN+引脚相连。信号从P7的IN+引脚流入，经放大后从P9的LV引脚流出。超声波三级可调放大电路可以对超声波模拟前端TDC1000放大的超声波信号进一步放大，增大了信号的可调整范围。
参考图5所示，本实施例中的A/D驱动电路包括OPA681及其外围电路，A/D转换驱动电路将超声波模拟信号进行预处理使得超声波模拟信号满足超声波A/D转换电路的输入要求。其中，OPA681芯片的Non-INertIN引脚依次与电容C3、与超声波三级可调放大电路中MAX4223芯片P9的LV引脚相连。本实施例中的OPA681芯片的功能是，将经过超声波三级可调放大电路放大的信号调整为满足所述超声波A/D转换电路及数字数据缓存电路的电压范围。
参考图6所示，本实施例中的超声波A/D转换电路包括ADS830芯片及其外围电路，超声波A/D转换电路是将接收到的超声波模拟信号转换成数字信号，使得次级电路可以对超声波信号进行数字信号处理。本实施例中的数字数据缓存电路包括IDT7205芯片及其外围电路，数字数据缓存电路将超声波A/D转换电路输出的超声波数字信号进行缓存后再传输给所述的STM32F103ZET6微控制器。具体地，本实施例中ADS830芯片的D0～D7引脚分别与IDT7205的D0～D7引脚相连，IDT7205的Q0～Q7引脚于的STM32F103ZET6微控制器的八个引脚相连。这里的ADS830芯片的主要功能是将模拟超声波信号转化成数字超声波信号。IDT7205是将ADS830转化的数字信号进行缓存，缓存后的数字信号由的STM32F103ZET6微控制器读取。
本实施例中的微控制器电路(STM32微控制器)与超声波模拟前端电路(TDC1000)通过SPI的方式连接以使微控制器电路通过SPI数据线向超声波模拟前端电路(TDC1000)写入操作命令。
微控制器电路还用于读取所述数字信号的最大值，并判断读取的最大值是否高于或低于预设阈值，如是，则控制上述的超声波模拟前端电路或超声波三级可调放大电路降低或提高放大倍数。具体地，本实施例中提供的STM32F103ZET6微处理器读取数字信号后进行两个任务，一是对数字信号做例如傅里叶变换等数学运算。二是读取数字信号的最大值，如果数字信号的最大值超过或者低于标定阈值，则通过程序降低所述超声波模拟前端TDC1000或所述超声波三级可调放大或者降低电路的放大倍数，从而保证接收到不同幅值的超声波会放大到同一量级。
此外，该系统还包括：功能扩展电路，用于提供对电路系统进行二次开发的接口。这里的功能扩展电路设置为与微控制器电路连接，通过功能扩展电路对微控制器电路内的程序进行改写以添加或删除部分功能，可以进一步根据需要增加系统的功能，也可以将采集的超声波数字信号发送到上位机做其它处理等等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种带有A/D转换功能的超声波发射与接收电路系统，其特征在于，包括：微控制器电路，超声波模拟前端电路，超声波驱动升压电路，超声波三级可调放大电路，超声波A/D转换电路，A/D转换驱动电路及数字数据缓存电路；发射超声波时，所述微控制器电路用于向所述超声波模拟前端电路发送开始信号，所述超声波模拟前端电路用于在收到所述开始信号后发射激励脉冲，所述超声波驱动升压电路用于将所述激励脉冲进行升压处理后发送至超声波传感器以发射超声波；
接收超声波时，所述超声波传感器将声信号转化成电信号，所述超声波模拟前端电路用于将所述电信号进行放大得到第一放大信号，如所述第一放大信号未达到预设放大倍数，则由所述超声波三级可调放大电路将所述第一放大信号继续放大得到第二放大信号，所述A/D转换驱动电路用于将达到预设阈值的所述第一放大信号或所述第二放大信号转换至预设电压范围内；所述超声波A/D转换电路用于将所述A/D转换驱动电路转换的信号进行模数转换并发送至所述数字数据缓存电路进行缓存，所述微控制器电路读取所述数字数据缓存电路中缓存的数字信号完成超声波的接收。
2.根据权利要求1所述的带有A/D转换功能的超声波发射与接收电路系统，其特征在于，所述微控制器电路包括STM32F103ZET6微控制器及其外围电路。
3.根据权利要求1或2所述的带有A/D转换功能的超声波发射与接收电路系统，其特征在于，所述超声波模拟前端电路包括TDC1000及其外围电路。
4.根据权利要求3所述的带有A/D转换功能的超声波发射与接收电路系统，其特征在于，所述激励脉冲为3.3V的脉冲信号，所述超声波驱动升压电路将所述激励脉冲进行升压处理后得到30V的激励脉冲信号并作用在所述超声波传感器上。
5.根据权利要求3所述的带有A/D转换功能的超声波发射与接收电路系统，其特征在于，所述微控制器电路与所述超声波模拟前端电路通过SPI的方式连接以使所述微控制器电路通过SPI数据线向所述超声波模拟前端电路写入操作命令。
6.根据权利要求1所述的带有A/D转换功能的超声波发射与接收电路系统，其特征在于，所述微控制器电路还用于读取所述数字信号的最大值，并判断读取的最大值是否高于或低于预设阈值，如是，则控制所述超声波模拟前端电路或所述超声波三级可调放大电路降低或提高放大倍数。
7.根据权利要求1所述的带有A/D转换功能的超声波发射与接收电路系统，其特征在于，还包括：功能扩展电路，用于提供对电路系统进行二次开发的接口。
8.根据权利要求1所述的带有A/D转换功能的超声波发射与接收电路系统，其特征在于，所述超声波三级可调放大电路包括MAX660芯片、MAX4223芯片及其外围电路，所述MAX660芯片用于为所述MAX4223芯片提供±5V的电源电压，所述MAX4223芯片用于对所述第一放大信号继续放大得到第二放大信号。
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