0 引言

超声波是一种频率高于20 kHz的声波，它的方向性好，穿透能力强，被广泛运用于水声学、工程学、生物学等领域，具体应用包括：利用声波反射、衍射、多普勒效应制造超声波物位计、超声波液位计、超声波流量计等；超声波测速、测距；利用超声波能穿透不透明物质和较好的定向性而被广泛应用于超声波探伤、检测、遥控和超声成像技术；超声波清洗、超声波加湿等。

超声波的发射和接收电路往往是以上超声应用系统中的关键部分，对仪器质量有很大影响^[1]。本文的主要内容是设计基本的超声波发射电路和接收电路：发射电路主要实现电能到声能的转化，产生高压激励脉冲激励换能器发射我们所需的超声信号；接收电路则是对接收到的超声波进行必要的处理，包括限幅隔离、滤波、放大、检波等过程。

1 发射单元电路设计

系统中实现电能到声能、声能到电能的转化的关键是超声换能器的换能材料的压电效应，它的逆压电效应将高频脉冲以声波形式发射出去、正压电效应将反射回的声波信号转换为电信号。换能器需要的高频电脉冲信号的产生需要依靠单片机和电路设计两部分实现，电路图如图 1所示。

图 1中的CPU控制PTA、PTB两端产生高频脉冲信号，经过TPS2814驱动器后，转换为具有一定功率的电信号，并经过升压电路，产生高压激励脉冲以激励换能器发射超声波。

2 接收单元电路设计

接收单元电路主要对接收到的超声波进行隔离限幅、滤波、放大、检波等处理。

2.1 限幅电路设计

为了降低换能器的成本，也简化制作工艺，我们常采用收发合置的换能器，这种换能器的发射探头和接收探头为同一探头，因此在接收端接收的信号不仅有几十微伏的回波信号，还会有数百伏的发射脉冲高压信号。如果在接收端不进行适当的控制，高压信号就有可能损坏电路元件，因此在接收电路前必须加入收发开关电路，使大幅度的高压信号不能通过或限制在较小范围内而较小的回波信号则几乎无衰减的通过。收发开关电路如图 2所示。

电路中R31和R32阻值相同。该电路的作用是电压过高时b点电压也能稳定在±4.3 V的范围内。电路原理：当a点电压超过4.3 V时，D1截止、D2导通、D3导通、D4截止，高压信号无法传输到后级电路，b点电压最高不超过4.3 V；同理当电压低于-4.3 V时，D1导通、D2截止、D3截止、D4导通，高压信号也无法传输到后级电路，b点电压最低不低于-4.3 V。也即相当于将过高和过低的电压限制在±4.3 V。而当a点电压介于±4.3 V范围时，D1、D2、D3、D4均正向导通，b点点位等于a点点位，信号正常传输到后级电路。这里利用的正是开关二极管的开关特性以及非线性工作区的工作特性。

利用同样的原理，将电压稳定在±0.7 V的范围内，可实现限幅功能，电路如图 3所示。

2.2 前置放大电路

前置放大器的主要作用是匹配前端输入电路和后级放大电路的阻抗，前端输入电路中压电传感器的阻抗较大，后级程控增益放大器的阻抗较低，所以需要设计一种高输入阻抗低输出阻抗的前置放大电路。

在实际设计应用中，大多数采用负反馈放大电路^[2]，具有减少非线性失真、扩展通频带、抑制干扰等优点。可采用如图 4所示的电压反馈型放大电路。

在前置放大电路中，放大倍数为：

$\frac{{{V}_{o}}}{{{V}_{\text{i}}}}=1+\frac{{{R}_{34}}}{{{R}_{35}}}{\text{，}}$

(1)

也即放大倍数为 $\frac{13}{3}$ 倍。

2.3 滤波电路

滤波电路的作用是让通频带范围内的频率分量通过，而不在通频带范围内的频率分量滤除或尽可能衰减掉，从而提高信噪比^[3]。

Filter solutions可以很方便地设计需要的滤波电路。

使用filter solutions设计中心频率2 MHz，通频带100 kHz的二阶滤波电路如图 5所示。

2.4 增益放大电路

在电路设计中，常采用时变增益放大电路和程控增益放大电路结合的方式对信号进行适当的衰减补偿和放大，以使信号幅值满足后续A/D转换要求。

可选用TI公司生产的VCA810运放，VCA810是一款高增益调节范围、宽带、可变增益放大器，其增益与控制电压成线性关系，具有-40~+ 40 dB的增益控制范围，带宽25 MHz，精度达到1 dB，如图 6所示。

VCA810的控制电压为0~-2 V，而单片机控制DAC产生的控制电压输出均为正电压，因此需要将DAC输出电压经过反相之后才可以加到VCA810的输入口。

2.5 检波电路

检波分为幅度检波、相位检波、频率检波等（见图 7），这里主要介绍幅度检波，幅度检波电路设置在增益放大电路之后，这时信号幅度达到一定大，幅度值也较稳定，便于信号检测。

AD8361是一款均值响应功率检波器，适用于最高2.5 GHz的高频接收机和发射机信号链。该器件使用非常简单，在大部分应用中仅需2.7~5.5 V的单电源、电源去耦电容和输入耦合电容即可工作。输出为线性响应直流电压, 可添加1个外部滤波器电容，提升平均时间常数^[4]。

不论波形简单还是复杂，AD8361都能从被检测信号中提取有效测量数据，它的输出电压的标称值是输入电压有效值的7.5倍，具有高度的线性、温度稳定性和测量精度高的特点^[5]。

3 结语

本文主要介绍了超声波系统的部分硬件设计，包括发射信号的电路设计、接收信号的电路设计，并对接收电路设计中的隔离限幅、滤波、放大、检波等过程进行了详细描述，分析了各个电路的原理。