低压电源的超声波电路设计

本文通过对现有超声波检测发射电路的研究的基础上，设计了一种简单、可靠、实用的发射电路。该电路以5V低压电源供电，RLC串联谐振产生高压脉冲信号，满足电路便携和安全性要求，改善了检测装置的灵敏度和抗干扰能力，取得了良好的效果。
2、超声波检测发射电路基本结构
　　检测电路的基本结构如图1所示，主要由控制信号、隔离环节、驱动电路、RLC电路和直流高压等部分组成。控制信号实现脉冲超声波发射控制的功能。隔离电路用来防止发射电路可能对其它电路造成电磁干扰，防止其它电路被烧坏。脉冲信号通过功率绝缘栅场效应管的高速关断来产生，驱动功率绝缘栅场效应管相当于驱动带容性负载的网络，在高频工作时电子开关的电气特性对系统的性能有很大影响，绝缘栅场效应管电容的充、放电造成的损耗十分显著，为提高脉冲幅值需增强绝缘栅场效应管的开关特性，需要合理的驱动电路，常用的场效应管驱动电路有CMOS缓冲器并联驱动、场效应管对管驱动和双极性三极管功率驱动3种形式[1]。RLC电路通过谐振产生高频信号，通过匹配网络来调谐使电路工作在换能器的谐振频率。直流高压电源由直流逆变器或其它电源模块来实现。



　　一般的直流高压脉冲发射电路工作过程，其电路如图2所示。当控制电平V为低电平，开关管Q关断时，电容C充电，高压电源通过漏极电阻R1对电容C充电，由于充电过程在短时间内完成，故R1、C不可取值过大，且C耐高压。当控制电平V为高电平时导通，电容C通过R2和D2放电，在探头上产生负脉冲电压，激励产生超声信号[1-3]。



3、基于低压电源的RLC串联谐振超声波发射电路设计
　　高压窄带脉冲的产生有两种方案：第一种是用预先充电到高压的电容迅速向换能器放电产生；另一种是由储能电感瞬时放电产生。测试表明，要使装置中换能器发射超声波，需要在其两端加上百伏的瞬时高压脉冲。第一种方案中，需要外加几百伏的直流高压电源。而第二种方案是利用储能电感瞬时放电产生瞬时高压脉冲，只需要直流低压供电就能达到要求。基于此想法，我们选用储能电感瞬时放电产生瞬时高压，R1用电感L取代，电源换为5V低压电源。其谐振电路如图3所示。



　　此电路以功率开关管Q为开关元件，电感L储能形成触发脉冲，不需要提供直流高压，经过光电偶合器作为隔离器，来减少电磁干扰，防止烧坏其它电路。当输入到Q的脉冲为正时，Q导通，Q相当于一个小电阻，与电阻R1、电感L串联，和低压电源一起构成回路，L中的电流快速上升进行储能。当输入到Q的脉冲为负时，Q的栅极置低，Q迅速关断，L，C， R2组成谐振电路快速放电，在电阻R2上形成高压脉冲，可达到百伏电压，如图4所示，D1，D2起单向开关作用，匹配网络由可调电阻和电感并联实现，通过调节匹配网络中的可调电阻来改变脉冲的幅度，调谐匹配电感使其电路工作在谐振频率上。经过调谐匹配后测得加在探头上的高压窄带脉冲如图5所示