超聲換能器驅(qū)動電路及回波接收電路的設(shè)計(jì)

隨著我國汽車工業(yè)和高速公路事業(yè)的飛速發(fā)展，研制、開發(fā)基于高性價(jià)比的超聲波測距技術(shù)的車輛防撞系統(tǒng)具有重要的社會與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

車輛防撞系統(tǒng)具有自動探測前方障礙物、自動減速或剎車的功能，是未來高級小汽車和載重車輛必備的安全行駛輔助裝置。日本、美國和歐洲等各大汽車公司都已投入了相當(dāng)?shù)娜肆Α⑽锪﹂_發(fā)在高級汽車上使用的防撞與安全預(yù)警系統(tǒng)，包括毫米波雷達(dá)、CCD攝像機(jī)、GPS和高檔微機(jī)等。據(jù)海外媒體報(bào)道，戴姆勒－克萊斯勒公司日前成功開發(fā)出供商用車（尤指卡車）使用的電子剎車系統(tǒng)，它利用車載前視雷達(dá)感應(yīng)器探測前方景物，由車載控制器處理這一感知信息而形成虛擬景象，由此來判斷當(dāng)前路況是否需要啟動自動剎車裝置。這種新型剎車系統(tǒng)在未來的兩、三年內(nèi)即可面市，預(yù)期價(jià)格為3745歐元[1]。顯然，就普通汽車而言，該自動電子剎車裝置太昂貴。

超聲測距傳感器價(jià)格低廉，其性能幾乎不受光線、粉塵、煙霧、電磁干擾和有毒氣體的影響，而且使用方便。然而，常見的超聲測距儀的作用距離較短，一般均小于或等于10m，從而限制了它在汽車高速行駛時(shí)的使用性能。超聲測距儀的作用距離不僅僅依賴于高性能的超聲波探頭，而且與超聲波的發(fā)射與接收電路的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率有關(guān)。本文主要研究一種高效的超聲換能器收發(fā)電路，以增大超聲測距儀的作用距離，使之能夠在未來的國產(chǎn)化汽車主動防撞系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

1 超聲測距原理

諧振頻率高于20kHz的聲波被稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。利用超聲波的這種性能就可制成超聲傳感器，或稱為超聲換能器，它是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為聲能、又可以把聲能轉(zhuǎn)化為電能的器件或裝置。換能器在電脈沖激勵下可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，向外發(fā)送超聲波；反之，當(dāng)換能器處在接收狀態(tài)時(shí)，它可將聲能（機(jī)械能）轉(zhuǎn)換為電能。

最常用的超聲測距方法是回聲探測法。其工作原理是：使換能器向介質(zhì)發(fā)射聲脈沖，聲波遇到被測物體（目標(biāo)）后必有反射回來的聲波（回波）作用于換能器上。若已知介質(zhì)的聲速為c，第一個(gè)回波到達(dá)的時(shí)刻與發(fā)射脈沖時(shí)刻的時(shí)間差為t，那么即可按式s=ct/2計(jì)算換能器與目標(biāo)之間的距離，如圖1所示?？紤]到傳感器的成本與安裝的方便性，采用收發(fā)兼用型超聲波探頭，即實(shí)際距離d=s。

聲波的速度c與溫度T有關(guān)[2]。如果環(huán)境溫度變化顯著，則必須考慮溫度補(bǔ)償問題?？諝庵新曀倥c溫度的關(guān)系可表示為：

2 驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)

圖2所示的超聲頻驅(qū)動電源用于激勵超聲換能器使之向外發(fā)送超聲波，超聲頻電源與超聲換能器儀器構(gòu)成超聲發(fā)生器。

2.1 場效應(yīng)管功率放大電路的設(shè)計(jì)

在此采用在超聲波發(fā)生器上應(yīng)用較多的乙類推挽放大電路。其特點(diǎn)是無激勵信號時(shí)，兩個(gè)功率管IRF120的靜態(tài)電流為零；而有激勵信號時(shí)，兩個(gè)功率管交替工作，各輸出半波信號，合起來形成一個(gè)完整的波形。

SN75732是雙通道與非門TTL/MOS專用接口器件，其中，管腳2是兩個(gè)與非門公用的使能輸入端（高電平有效），管腳1/7、管腳3/6分別是兩個(gè)與非門的輸入/輸出端；管腳4是數(shù)字地；管腳8接5V直流電源，管腳5接直流電源VDD。利用該接口電路就可以直接用TTL電平來驅(qū)動MOSFET功率管。只要適當(dāng)選取電阻R1就可以確定MOSFET功率管IRF120的柵源電壓VGS，進(jìn)而確定功率管導(dǎo)通時(shí)的漏極電流ID；R用于限制漏極電流ID的大小，避免功率管導(dǎo)通瞬間產(chǎn)生過大的電流沖擊。當(dāng)選通信號為低電平時(shí)，SN75732的兩個(gè)與非門均輸出低電平，功率管IRF120截止，發(fā)射電路不工作，而繼電器J處于接通狀態(tài)（與SIG1和SIG2接觸）；當(dāng)選通信號為高電平時(shí)，超聲頻脈沖信號通過與非門HC00的邏輯變換后，使SN75732的兩個(gè)與非門交替輸出高電平，驅(qū)動兩個(gè)功率管IRF120交替導(dǎo)通與截止（推挽放大），通過脈沖變壓器升壓輸出高振幅正弦波，換能器將獲得的能量以聲能形式輻射出去。此時(shí)，繼電器J處于常閉狀態(tài)（換能器接入驅(qū)動電路的輸出端）。

要使非線性失真不明顯，其功率最大，負(fù)載應(yīng)當(dāng)是固定不變的。因此變壓器的另一作用是進(jìn)行耦合，將實(shí)際負(fù)載RL′變換成所期望的值RL，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。如圖3所示，AB和BQ分別代表了ID和(VDD－VDSS)，因此△ABQ的面積就代表了工作在乙類的互補(bǔ)對稱電路輸出功率的大小?！鰽BQ的面積愈大，就表明輸出功率Po也愈大。IDm為流過功率管的最大電流，對應(yīng)于圖中負(fù)載線AQ，其功率三角形面積最大，非線性失真不明顯。所以，最大功率的負(fù)載電阻應(yīng)當(dāng)是RL=(VDD-VDSS)/IDm。

場效應(yīng)管IRF120采用電壓驅(qū)動方式，與負(fù)載電流和安全工作區(qū)域無關(guān)，電路設(shè)計(jì)較為簡單；對于開關(guān)速度來說，它同雙極型器件相比可大幅度提高開關(guān)速度，溫度影響也小；而且它僅受管子功耗的限制，無二次擊穿的影響，因而在此代替功率晶體管作功率放大器件。

2.2 變壓器的設(shè)計(jì)

脈沖變壓器是超聲換能器驅(qū)動電路中最重要的器件，它的用途是升高脈沖電壓信號，并使功率放大器的輸出阻抗與換能器的負(fù)載阻抗匹配。一般脈沖變壓器以變壓器的功率、原副邊電壓信號的幅值確定變壓器的尺寸和變比[3]；而超聲換能器驅(qū)動用變壓器則主要以功率和原副邊電感及阻抗匹配確定變壓器的尺寸和變比。

2.2.1 變壓器工作頻率及輸入電壓脈寬的確定

脈沖變壓器的工作頻率取決于超聲換能器的工作頻率。在此選用fr=30kHz的換能器,其所對應(yīng)的諧振電路等效阻抗RL′=450Ω。則半個(gè)周期內(nèi)的電壓脈寬為：

其中，T為脈沖變壓器的工作周期。D是設(shè)計(jì)電路時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)，它對主開關(guān)元件、輸出變壓器和變換器效率等都有很大的影響。在此選D=0.9，則有Ton=15μs。

2.2.2 變壓器變比的確定及功率負(fù)荷的計(jì)算

由前面推導(dǎo)可知RL=(VDD-VDSS)/IDm時(shí)功放效率最大，取VDD=12V，考慮到車輛使用的蓄電池所能提供的最大電流有限，取IDm=5A，由功率管工作特性曲線可以查出VDSS=2V，得出RL=(12－2)/5=2Ω，所以變壓器變比為：

式中，Pout為換能器的工作功率；η為變壓器的效率，可取η=0.95；VAm為等效負(fù)載RL上的電壓幅度。將已知值代入(4)式得Pout≈24W。

２.２.３ 變壓器鐵心的選擇

鐵心是脈沖變壓器的重要組成部分。脈沖變壓器的體積、質(zhì)量等主要指標(biāo)都由鐵心來確定。常用的鐵心材料有電工鋼、軟磁合金、軟磁鐵氧體、非晶態(tài)合金等。其中鐵氧體鐵心工藝性好，價(jià)格便宜，而且電阻率很高，確保在窄脈沖情況下能得到高的有效脈沖磁導(dǎo)率，要比冷軋電工鋼高十倍以上。對于推挽式電路，鐵心尺寸的選擇可參考下式：

式中，S為磁芯的有效截面積；Q為鐵心的窗口截面積，只有各繞組截面積之和小于鐵心的窗口面積，才能使鐵心窗口繞得下全部繞組；Bm為鐵心最大工作磁通密度，在此選取材料為3E25的鐵心，由該材料的B-H特性曲線查出Bm=250mT；KT為鐵心的填充系數(shù)，對于鐵氧體鐵心來講，KT=1；Ku為鐵心窗口的利用系數(shù)，與繞組導(dǎo)線直徑及繞制工藝水平有關(guān)，一般取0.1～0.5；J為導(dǎo)線允許的電流密度，一般取為3～5A/mm2。
將已知數(shù)值代入式(5)，計(jì)算得SQ=1403.5mm2。根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]，可選取Philips公司生產(chǎn)的E25/10/6型號的鐵心，其有效面積S=38.4mm2。

2.2.4 變壓器初、次級繞組匝數(shù)的計(jì)算

變壓器初級繞組的匝數(shù)N1由下式確定：

將已知量代入，得N1=10。于是，由變壓器的變比N可求出變壓器次級繞組的匝數(shù)，即：

N2=N1×N=10×15=150。

各繞組導(dǎo)線的直徑可由下式計(jì)算:

式中，Ii為流經(jīng)繞組電流的有效值。最后校驗(yàn)變壓器是否能繞下所要求的線圈匝數(shù)。
脈沖變壓器的很多參數(shù)是相互影響的，所以在制作變壓器時(shí)，要反復(fù)調(diào)試，以達(dá)到最佳的阻抗匹配和高的效率。變壓器的輸出(即超聲換能器上所加的電壓幅值)影響著系統(tǒng)的測距范圍及精度，本系統(tǒng)中使用的變壓器副邊空載電壓可達(dá)300V。

3 接收電路的設(shè)計(jì)

由于此電路應(yīng)用于汽車防撞系統(tǒng)中，一般車輛上只提供正電源，所以接收電路的設(shè)計(jì)采用單電源。它由前置放大電路、帶通濾波電路和后級放大電路組成。

3.1 前置放大電路

考慮到超聲換能器的輸出電阻比較大，因此前置放大器必須有足夠大的輸入阻抗。前置放大電路是一個(gè)由精密、高輸入阻抗儀表放大器AD623構(gòu)成的差動放大器。由于采用了收發(fā)同體傳感器，因而收發(fā)信號之間會產(chǎn)生干擾，較大的發(fā)送信號能量有可能直接進(jìn)入接收電路，它要比回波大得多，因此前級放大器會飽和，電路工作不穩(wěn)定。為此，接收信號放大器的輸入端要接入一對互為反向的二極管進(jìn)行箝位，以保護(hù)后面的放大電路。

3.2 帶通濾波器

在此采用無限增益多路反饋型濾波電路，它是一個(gè)由賦以多路反饋的理論上具有無限增益的運(yùn)算放大器構(gòu)成的濾波電路。圖4所示是由單一運(yùn)算放大器構(gòu)成的無限增益多路反饋二階帶通濾波電路的基本結(jié)構(gòu)。

濾波器參數(shù)為:

無限增益多路反饋型濾波電路由于沒有正反饋，故穩(wěn)定性高。為計(jì)算方便，可先選定C1=C2=680pF，Ap=6，Q=3，由以上方程聯(lián)立得：R3=47kΩ，R1=47kΩ，R2=2kΩ。由于采用單電源供電，所以要在放大器正極抬高一個(gè)電平。在此用MC7805將電源電壓轉(zhuǎn)換成5V以提供偏置。濾波器的輸出再通過一級放大后接采集卡進(jìn)行A/D采樣。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

對前面設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了超聲測距實(shí)驗(yàn)。此實(shí)驗(yàn)應(yīng)用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡6024E采集數(shù)據(jù)。6024E是擁有模擬、數(shù)字、時(shí)鐘I/O口的高性能多功能板卡，采用的是PCI總線。最大采集速率為200kHz，使用DAQ-STC計(jì)數(shù)器芯片。包括三個(gè)定時(shí)器組，控制著模擬輸入、模擬輸出和通用的計(jì)數(shù)/定時(shí)功能。用于通用計(jì)數(shù)/定時(shí)功能的是兩個(gè)24位計(jì)數(shù)器[5]。利用時(shí)鐘1發(fā)出控制信號，時(shí)鐘0產(chǎn)生30kHz的脈沖，作為驅(qū)動電路的輸入信號。
發(fā)射的脈沖數(shù)應(yīng)選擇合適，脈沖個(gè)數(shù)多時(shí)，發(fā)射換能器可以克服其振動慣量而獲得充分的振動，其它聲波模式影響較小，發(fā)射的超聲脈沖能量大；但此時(shí)測距的盲區(qū)也大（測距盲區(qū)指的是可以測量的最小距離），一般選擇由10～20個(gè)脈沖組成。

系統(tǒng)軟件采用LabView編程，圖5為相同環(huán)境中兩個(gè)電路的測量結(jié)果對比。

5(a)是以往電路在6米處的測量結(jié)果，幅值較小，測量過程中曾出現(xiàn)掉電現(xiàn)象，功率管發(fā)熱嚴(yán)重，這說明功率消耗比較大。5(b)是本電路的測量結(jié)果?？梢钥闯?，本電路的測量距離明顯提高，而且管子基本沒有發(fā)熱現(xiàn)象，電源保持穩(wěn)定。可見，本電路的設(shè)計(jì)由于經(jīng)過較嚴(yán)格的推導(dǎo)，器件選擇合理，各參數(shù)得到優(yōu)化，改善了換能器與功放間的阻抗匹配，功放效率和機(jī)電轉(zhuǎn)換效率得到明顯提高。電路控制方便，性能表現(xiàn)良好，在距離9.5m處仍能得到較清晰的回波，使大范圍的超聲測距成為可能。