CN204241897U - 一种多功能超声波换能器驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种多功能超声波换能器驱动电路，涉及一种脉冲电压幅度、频率及周期数连续可调的声波换能器驱动电路，其中包括直流高压电路组和频率可调脉冲输出电路和换能器，本实新型输出脉冲为矩形脉冲，其上升沿和下降沿陡峭，通过与微处理器接口电路可实现单脉冲和多脉冲驱动超声波换能器，同时输出脉冲的频率和幅度可随时调节，能满足不同种类的超声波换能器的应用要求，整个电路元器件少，成本低，功能齐全，稳定可靠，简单实用。

Description

一种多功能超声波换能器驱动电路

技术领域

 实用新型涉及一种超声波换能器驱动电路，尤其涉及一种脉冲电压幅度、频率及周期数连续可调的声波换能器驱动电路。

背景技术

随着电子技术的发展，超声技术被广泛地应用于军事、航海、工业生产等领域，而与人们生活的息息相关的领域也发挥着越来越重要的作用，为人们生活带来了便利。例如超声波雾化器、医疗B超、超声波清洗机、超声波测厚仪、超声波液位计、超声波探伤仪、超声波流量计、超声波温度计等产品。各种超声波技术应用中最重要部件就是超声波驱动电路。目前大多数超声波换能器主要由压电陶瓷制成，根据应用场合的不同，换能器的谐振频率和功率输出要求不同，从而形成了各种不同领域应用的驱动电路。而多数超声波驱动电源是经过整流电路和逆变电路得的固定频率和固定电压幅度的脉冲波或正弦波来驱动换能器，其体积大、功耗高，频率变化范围小，不能很好满足多数超声波的应用要求。因此，基于以上不足，有必要提供一种多功能超声波换能器驱动电路，它具有功能强大、体积小、功耗低、成本低、维护方便等优点；更具优势的是脉冲方波的频率、幅度（或功率）可调，在应用中能实现频率自动扫描、跟踪，故障自动检测等。

发明内容

本实用新型针对现有技术中的不足，提供了一种多功能超声波换能器驱动电路，通过与微处理器接口电路可实现单脉冲和多脉冲驱动超声波换能器，同时输出脉冲的频率和幅度可随时调节，能满足不同种类的超声波换能器的应用要求；整个电路元器件少，成本低，功能齐全，稳定可靠，简单实用。

为了解决上述技术问题，本实用新型通过下述技术方案得以解决：一种多功能超声波换能器驱动电路，包括直流高压电路组和脉冲输出开关电路，所述脉冲输出开关电路包括稳压管、电阻A和电阻D、P沟道场效应管、N沟道场效应管A和N沟道场效应管B、两个串联的二极管和两个串联的非门，所述稳压管的阴极、所述电阻A的一端和所述P沟道场效应管的源极和所述直流高压电路组连接，所述N沟道场效应管B漏极与所述电阻D的一端连接，所述电阻D的另一端同时与所述稳压管的阳极、所述电阻A另一端及所述P沟道场效应管的栅极相连；两个串联的所述二极管的阳极与所述P沟道场效应管的漏极相连，其阴极与所述N沟道场效应管A漏极相连，两个串联的所述非门分别连接到所述N沟道场效应管B的栅极和所述N沟道场效应管A的栅极，其中两个所述二极管中间串联点与电阻B和换能器的一端连接，所述电阻B和所述换能器的另一端接地，所述N沟道场效应管A和所述N沟道场效应管B的源极分别接地。

上述技术方案中，优选的，所述脉冲输出开关电路还包括两个电阻C，两个所述电阻C一端分别连接所述N沟道场效应管A和所述N沟道场效应管B的栅极，另一端接地，产生保护下拉电阻的作用。

上述技术方案中，优选的，所述直流高压电路组包括直流高压电路、储能滤波电容和数模转换电路，低压电源和+VCC连接到所述直流高压电路电源输入端，所述数模转换电路连接到所述直流高压电路的电压调整端，所述储能滤波电容连接到所述直流高压电路的输出端和+HV，同时所述直流高压电路、所述储能滤波电容和所述数模转换电路接地。

上述技术方案中，优选的，所述数模转换电路接收来自微处理器的DAC数字信号。

上述技术方案中，优选的，两个串联的所述非门接收来自微处理器的低压脉冲信号A，同时向所述N沟道场效应管B发射低压脉冲信号B，向所述N沟道场效应管A发射B低压脉冲信号C。

上述技术方案中，优选的，所述的脉冲输出开关电路向所述的换能器发射高压脉冲信号。

超声波换能器要能正常工作，外界必须提供一个频率与换能器谐振频率相同的电压驱动信号。这个信号即可以是脉冲的，也可以是正弦波形式。理论上讲。幅值很高正弦波通常是由电流型晶体管构成，其功率输出效率低，且不易控制；脉冲信号通常是将高压电源+HV通过开关而形成的，其理论功率传输效率为100%，实际效率可达90%以上；另一优势是脉冲信号输出功率控制非常方便，可从0~100%连续控制。超声波换能器工作的基本原理是：当换能器接收到特定频率和幅度的脉冲信号后，换能器中的压电陶瓷会形成机械振动，并向外发射特定频率声波。声波在介质中传播或被介质反射后，被换能器接收到，声波振动引起压电效应，形成回波信号，经放大后输入到微处理器中处理。声波信号的强弱与脉冲驱动信号的频率、幅值及个数有关。本实用新型的多功能超声波驱动电路在实际应用中，通过微处理中算法或控制程序，能弥补各类超声波的技术缺陷。例如超声波换能器的谐振频率点会因装配和工作老化而改变，本实用新型可以控制驱动电路，使高压脉冲的频率在一定范围内跟踪换能器的谐振频率点，让发生器工作在最佳状态。并且还具有以下几个特点：1、输出的脉冲幅度可从5V到500V连续可调；2、输出的脉冲频率从10KHz到2MHz连续可调；3、输出的脉冲数从1个到10个连续可调；4、输出的方波脉冲的上升沿和下降沿陡峭，即方波的上升时间和下降时间小于130纳秒。

与现有技术相比，本实用新型通过与微处理器接口电路可实现单脉冲和多脉冲驱动超声波换能器，同时输出脉冲的频率和幅度可随时调节，能满足不同种类的超声波换能器的应用要求；整个电路元器件少，成本低，功能齐全，稳定可靠，简单实用。

附图说明

图1是本实用新型电路示意图。

图2是本实用新型输出的驱动信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。

实施例1：如图1和图2所示，一种多功能超声波换能器驱动电路包括直流高压电路组和脉冲输出开关电路，高压电源部分包括直流高压电路1、储能滤波电容2和数模转换器14。直流高压电路1将低压电源+VCC通过PWM技术和倍压电路转换成高压+HV输出，最大可以输出500V直流电压。数模转换器14接收从微处理器传输来的DAC数字信号15，转换成相应的电压值来控制直流高压电路1的输出+HV，可在为5~500V范围内连续可调。脉冲输出开关电路包括稳压管3、电阻A4和电阻D19、P沟道场效应管5、N沟道场效应管A10和N沟道场效应管B11、两个串联的二极管9和两个串联的非门13。稳压管3的阴极、电阻A4的一端和P沟道场效应管5的源极和直流高压电路组连接， N沟道场效应管B11漏极与电阻D19的一端连接，电阻D19的另一端同时与稳压管3的阳极、电阻A4另一端及P沟道场效应管5的栅极相连；两个串联的二极管9的阳极与P沟道场效应管5的漏极相连，其阴极与N沟道场效应管A10漏极相连，两个串联的非门13分别连接到N沟道场效应管B11的栅极和N沟道场效应管A10的栅极，其中两个二极管9中间串联点与电阻B8和换能器7的一端连接，电阻B8和所述换能器7的另一端接地， N沟道场效应管A10和N沟道场效应管B11的源极分别接地。电阻C12一端分别连接N沟道场效应管A10和N沟道场效应管B11的栅极，另一端接地，产生保护下拉电阻的作用。

脉冲输出开关电路工作时，低压脉冲信号A16输入到非门13，当低压脉冲信号A16从低到高跳转时，同时产生两个反相的低压脉冲信号B17和低压脉冲信号C18，低压脉冲信号B17与低压脉冲信号A16，而低压脉冲信号C18与之相反。此时低压脉冲信号C18的下降使导通的N沟道场效应管A10关闭，而同时低压脉冲信号B17的上升使N沟道场效应管B11导通，经电阻A4和电阻D19将P沟道场效应管5的栅极从+HV点位处瞬间拉低，使P沟道场效应管5导通，输出电压+HV到超声波换能器7上。而当低压脉冲信号A16从高到低跳转时，低压脉冲信号B17同时从高到低跳转，而低压脉冲信号C18则反之。低压脉冲信号B17的下降使N沟道场效应管B11关闭，此时P沟道场效应管5的栅极与源极同电位，P沟道场效应管5关闭。低压脉冲信号C18的上升使N沟道场效应管A10再次导通，使超声波换能器7上迅速失去电压+HV，这样就形成上下沿陡峭的高压脉冲信号6，脉冲的上升时间和下降时间小于130纳秒。其中电阻B8通过放电快速吸收超声波换能器7上多余电何，避免了超声信号的拖尾现象。电阻C12是保护N沟道场效应管B11和N沟道场效应管A10，防止干扰产生其误动作。稳压管3应选择大于5V，且小于P沟道场效应管5的GS最大电压的值，用于保护P沟道场效应管5。电阻A4和电阻D19是大功率电阻，而阻值相同，经二分之一分压后产生P沟道场效应管5的GS电压。其阻值的大小影响高压脉冲的上升/下降时间。

低压脉冲信号A16的频率决定了高压脉冲信号6的频率，频率可从10KHz到2MHz之间任意设置；低压脉冲信号A16可以是单脉冲，也可以是一组脉冲串，脉冲数可从1~10个之间由微处理其任意设置。高压脉冲信号6的信号幅度由高压电路输出+HV决定，幅值越高，输出功率越高，相应的超声波信号越强；同时脉冲个数越多，输出功率也越高。

本实用新型在实际应用中，通过微处理中算法或控制程序，能弥补各类超声波的技术缺陷。例如超声波换能器的谐振频率点会因装配和工作老化而改变，通过控制驱动电路，使高压脉冲的频率在一定范围内跟踪换能器的谐振频率点，让发生器工作在最佳状态。同时还具有频率微调：调整频率使超声波换能器始终工作在最佳状态下，效率达到最大；自动跟频：设备一旦完成初始设置后，就可以连续作业中自动跟频，而无需人工干预；振幅控制：换能器工作过程中负载发生变化时，能自动调整驱动特性，确保换能器得到稳定的振幅；系统保护：系统在不适宜的操作环境下工作时，发生器将停止工作并报警显示，保护设备不受损坏；振幅调整：振幅可在工作过程中瞬间增加或减少，振幅的设置范围：0%~100%；自动搜频：可以自动测定换能器的工作频率并储存；等特点。

Claims (6)

1.一种多功能超声波换能器驱动电路，包括直流高压电路组和脉冲输出开关电路，所述脉冲输出开关电路包括稳压管（3）、电阻A（4）和电阻D（19）、P沟道场效应管（5）、N沟道场效应管A（10）和N沟道场效应管B（11）、两个串联的二极管（9）和两个串联的非门（13），所述稳压管（3）的阴极、所述电阻A（4）的一端和所述P沟道场效应管（5）的源极和所述直流高压电路组连接，所述N沟道场效应管B（11）漏极与所述电阻D（19）的一端连接，所述电阻D（19）的另一端同时与所述稳压管（3）的阳极、所述电阻A（4）另一端及所述P沟道场效应管（5）的栅极相连；两个串联的所述二极管（9）的阳极与所述P沟道场效应管（5）的漏极相连，其阴极与所述N沟道场效应管A（10）漏极相连，两个串联的所述非门（13）分别连接到所述N沟道场效应管B（11）的栅极和所述N沟道场效应管A（10）的栅极，其中两个所述二极管（9）中间串联点与电阻B（8）和换能器（7）的一端连接，所述电阻B（8）和所述换能器（7）的另一端接地，所述N沟道场效应管A（10）和所述N沟道场效应管B（11）的源极分别接地。

2.根据权利要求1所述的一种多功能超声波换能器驱动电路，其特征为，所述脉冲输出开关电路还包括两个电阻C（12），两个所述电阻C（12）一端分别连接所述N沟道场效应管A（10）和所述N沟道场效应管B（11）的栅极，另一端接地，产生保护下拉电阻的作用。

3.根据权利要求1所述的一种多功能超声波换能器驱动电路，其特征为，所述直流高压电路组包括直流高压电路（1）、储能滤波电容（2）和数模转换电路（14），低压电源和+VCC连接到所述直流高压电路（1）电源输入端，所述数模转换电路（14）连接到所述直流高压电路（1）的电压调整端，所述储能滤波电容（2）连接到所述直流高压电路（1）的输出端和+HV，同时所述直流高压电路（1）、所述储能滤波电容（2）和所述数模转换电路（14）接地。

4.根据权利要求3所述的一种多功能超声波换能器驱动电路，其特征为，所述数模转换电路（14）接收来自微处理器的DAC数字信号（15）。

5.根据权利要求3所述的一种多功能超声波换能器驱动电路，其特征为，两个串联的所述非门（13）接收来自微处理器的低压脉冲信号A（16），同时向所述N沟道场效应管B（11）发射低压脉冲信号B（17），向所述N沟道场效应管A（10）发射B低压脉冲信号C（18）。

6.根据权利要求3所述的一种多功能超声波换能器驱动电路，其特征为，所述的脉冲输出开关电路向所述的换能器（7）发射高压脉冲信号（6）。