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超声波发射和接收电路

在本设计中，我们设计的发射和接收电路都是分别只有一个，通过继电器进行顺、
逆流方向收发电路的切换，这样做既降低了成本，又消除了非对称性电路误差，
且发射脉冲通过使用单独的继电器分别对发射和接收换能器进行控制，使换能器
的发射和接收电路完全隔离，消除了发射信号对接收的影响。
4.2.1超声波发射电路

接收信号的大小和好坏直接取决于发射传感器的发射信号,由于使用收发共用
型超声换能器，所以除了选用性能优良的超声波传感器外，发射电路和前级信号
接收电路至关重要，它决定着整个系统的灵敏度和精度。
超声波测量最常用的换能器发射电路大体可分为三种类型：窄脉冲触发的宽带
激励电路、调制脉冲谐振电路和单脉冲发射电路。从早先国内进口的日本超声波
流量计来看，基本都采用的是窄脉冲驱动电路。这种电路在设计上一般是用一个
极快速的电子开关通过对储能元件的放电来实现，这些开关器件通常为晶闸管或
大功率场效应管（MOSFET）。由于需要输出激励信号的瞬时功率大，因此开关器
件必须由直流高压供电，一般要达到几十到一百伏以上，这在电池供电的系统中
无法实现；此外，开关瞬间会产生高压脉冲，对整个电路的抗干扰设计不利。而
脉冲谐振电路设计起来比较简单，其基本方法是用振荡电路产生一个高频振荡，
经过幅值和功率放大后接至换能器，使换能器发出超声波，确保高频振荡的频率
与换能器固有频率一致，则可获得超声发射的最佳效果。谐振电路能够使用较低
的电压产生较强的超声波发射，适合使用电池供电的系统，而且它能精确地控制
发射信号，效率高。
在本设计中，超声发射电路采用了连续脉冲发射电路，它由脉冲发生、放大电
路构成，具体电路连接如图17所示。单片机发出的方波信号经三极管放大和变压器
升压，达到足够功率后推动换能器超声超声波，这里变压器的主要用途是升高脉
冲电压和使振荡器的输出阻抗与负载（超声换能器）阻抗匹配，变压器与探头接
成单端激励方式。

图17超声波发射电路
4.3.2超声波接收电路
发射换能器发出超声波信号后，信号经过流体传播到接收换能器，中间有杂质
和气泡等影响，强度不断减小，并且强度也不稳定。为了实现高精度的测量，在
信号到达检测电路前必须使信号稳定可靠，根据接收信号的实际情况，我们对所
设计的超声波接收电路主要由放大电路、滤波电路、自动控制增益电路、电压比
较电路等部分组成。
1)放大电路
通常超声波换能器接收到的超声波信号是非常小的，只有几毫伏，而一般ADC
需要采样的信号的幅值为5V，所以必须对它进行放大。放大电路采用三级放大，
第一级和第三级放大采用固定增益放大，完成信号的基准放大，第二级采用具有
程控增益调整功能的芯片AD603来实现，这样当第一级和第三级确定后，可以通过
调节AD603控制端的电压来调节整个放大电路的增益，使输出信号达到要求的幅
值。
①高输入阻抗的前置放大电路
该电路的主要作用是对超声波换能器的接收信号进行阻抗匹配放大。超声波换
能器的阻抗很大，一般在106Ω以上，普通的放大器很难与之匹配，只有MOS结构
的放大器才有那么高的输入阻抗。所以，我们选择高输入阻抗运算放大器LF357，
它采用JFET组成差分输入级，其输入阻抗高达1012Ω。在设计中，LF357采用同相放
A1RR11
大接法，这级的放大倍数是f1。其电路如图18所示：

图18前置放大电路
②自动增益放大电路
由于超声波流量计测量管径的范围很大（几厘米～几米），而且管壁情况和流体介
质也有很大差异，因此接收信号的幅值会有很大的不同（几毫伏～几百毫伏）如果
仅采用普通的集成运算放大器，对超声波接收信号采用幅度鉴别的方式则可能出
现误判的现象。为使放大后信号的幅值保持在同一数量级，要选用自动增益放大
电路来放大信号。通常采用程控增益放大器来完成这一功能，其工作原理是将放
大后接收信号的峰值采样保持下去，经A/D转换后去控制程控增益放大器的放大
倍数，使输出保持稳定。使用程控增益放大器的不足是所用的器件较多，电路设
计也较为复杂，而且其跳跃性的放大倍数可能会造成电路工作的不稳定。
本文采用美国ADI公司的AD603压控VGA芯片作为自动增益放大器。AD603是一个
低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成
线性关系，压摆率为275V/μs。管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益
在-11～+30dB时的带宽为90Mhz，增益在+9～+41dB时具有9MHz带宽，改变管脚
间的连接电阻，可使增益处在上述范围内。该集成电路可应用于射频自动增益放
大器、视频增益控制、A/D转换量程扩展和信号测量系统。AD603的外部结构图如
图19所示：

图19AD603引脚图
管脚1：GPOS增益