超声波发射电路设计

中北大学课程设计说明书学生姓名：杨胜华学号：0805014137学院：信息与通信工程学院专业：电子信息科学与技术题目：超声波发射电路设计指导教师：程耀瑜职称:教授李文强职称：讲师2011年1月7日中北大学课程设计任务书2010/2011学年第一学期学院：信息与通信工程学院专业：电子信息科学与技术学生姓名：杨胜华学号：0805014137课程设计题目：超声波发射电路设计起迄日期：12月26日～1月7日课程设计地点：中北大学指导教师：程耀瑜，李文强系主任：程耀瑜下达任务书日期:2010年12月26日课程设计任务书1．设计目的：本课程设计主要针对模拟电子技术和数字电子技术课程要求，培养学生在查阅资料的基础上，进行实用电路设计、计算、仿真、调试等多个环节的综合能力，同时培养学生用课程中所学的理论独立地解决实际问题的能力。另外还培养学生用专业的、简洁的文字,清晰的图表来表达自己设计思想的能力。2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：（1）了解超声波的特点；（2）掌握超声波发射电路的设计、仿真与调试；（3）掌握方案设计与论证；（4）掌握用相关软件进行电路图设计、仿真，以及对仿真结果的分析、总结；3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：（1）提供核心器件的工作原理与应用介绍；（2）提供用Protel99设计的电路原理图，也可给出印刷板电路图；（3）提供用Multisim、MaxPluss、Proteus等其他软件对电路的仿真结果与分析；（4）提供符合规定要求的课程设计说明书；（5）提供参考文献不少于三篇，且必须是相关的参考文献；课程设计任务书4．主要参考文献：（1）阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，1998；（2）王远.模拟电子技术.北京：机械工业出版社，2001；（3）陈汝全.电子技术常用器件应用手册.北京：机械工业出版社，2003；（4）毕满清.电子技术实验与课程设计.北京：机械工业出版社，2006；5．设计成果形式及要求：（1）电路原理图，仿真结果；（2）课程设计说明书；6．工作计划及进度：2010年12月26日～12月28日：分析课程设计任务书，查找资料，初步确定方案；12月29日～12月30日：论证、确定方案；12月31日～2011年1月4日：电路设计、计算、仿真，并完善设计与方案；2011年1月5日～1月6日：整理资料，书写课程设计说明书；1月7日：答辩，提交课程设计说明书。系主任审查意见：签字：年月日目录一．绪论----------------------------------------------------------------1页1.1课程设计的目的及意义-------------------------------------1页1.2超声波发射电路的设计思路------------------------------3页1.3课程设计的任务及要求------------------------------------3页二．课程的方案设计与选取----------------------------------------4页2.1课程的方案设计---------------------------------------------4页2.2课程的方案选取---------------------------------------------6页三．系统的硬件结构-------------------------------------------------6页3.1触发脉冲产生电路------------------------------------------7页3.2发射脉冲产生电路-------------------------------------------8页3.3换能器部分---------------------------------------------------9页四．Protel99SE简介及原理图绘制4.1Protel99SE相关介绍及原理图绘制--------------------11页五．总结----------------------------------------------------------------12页六．参考文献----------------------------------------------------------14页附录一：超声波发射电路仿真-------------------------------------15页附录二：超声波发射电路原理图----------------------------------17页绪论1.1课程设计的目的及意义1.1.1目的科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000Hz。当声波的振动频率大于20KHz或小于20Hz时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。通常用于医学诊断的超声波频率为1～5兆赫兹。理论研究表明,在振幅相同的条件下,一个物体振动的能量与振动频率成正比,超声波在介质中传播时,介质质点振动的频率很高,因而能量很大.在我国北方干燥的冬季,如果把超声波通入水罐中,剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴,再用小风扇把雾滴吹入室内,就可以增加室内空气湿度.这就是超声波加湿器的原理.如咽喉炎、气管炎等疾病,很难利用血流使药物到达患病的部位.利用加湿器的原理,把药液雾化,让病人吸入,能够提高疗效.利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。超声波在医学方面应用非常广泛，像现在的彩超、B超、碎石（例如胆结石、肾结石、祛眼袋之类的）等。1.1.2意义超声效应已广泛用于实际，主要有如下几方面：①超声检验超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术。把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装置称为超声显微镜。超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。②超声处理利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。③基础研究超声波作用于介质后，在介质中产生声弛豫过程，声弛豫过程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程，并在宏观上表现出对声波的吸收（见声波）。通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这方面的研究构成了分子声学这一声学分支。普通声波的波长远大于固体中的原子间距，在此条件下固体可当作连续介质。1.2超声波发射电路的设计思路超声换能器及其发射电路是超声测距系统中的关键组成部分,它决定了一个系统所能达到的最终指标，超声换能器一旦选定,其性能参数如机械共振频率、声波辐射等效电阻等也已确定发射电路没汁的好坏将直接影响超声波的发射效率。超声检测中常用的发射电路可以分为三类,即单脉冲发射电路,方波调制的脉冲波发射电路和连续波发射电路，这三类电路各有其特点,可根据应用场合选用。我们采用555定时器配以少量的电阻、电容等元件设计了一种超声波发射电路，它可以三类电路的方式工作。本电路具有通用性、实用性、电路结构简单、成本低等优点。1.3课程设计的任务及要求（1）了解超声波的特点；（2）掌握超声波发射电路的设计、仿真与调试；（3）掌握方案设计与论证；（4）掌握用相关软件进行电路图设计、仿真，以及对仿真结果的分析、总结；二、课程设计方案设计与选取2.1设计超声波发射电路之一，由F1~F3三门振荡器在F3的输出为40kHZ方波，工作频率主要由C1、R1和RP决定，用RP可调电阻来调节频率。F3的输出激励换能器T40-16的一端和反向器F4，F4输出激励换能器T40-16的另一端，因此，加入F4使激励电压提高了一倍。电容C3、C2平衡F3和F4的输出，使波形稳定。电路中反向器F1~F4用CC4069六反向器中的四个反向器，剩余两个不用（输入端应接地）。电源用9V叠层电池。测量F3输出频率应为40kHZ±2kHZ，否则应调节RP。发射超声波信号大于8m。超声波发射电路之二，电路中晶体管VT1、VT2组成强反馈稳频振荡器，振荡频率等于超声波换能器T40-16的共振频率。T40-16是反馈耦合元件，对于电路来说又是输出换能器。T40-16两端的振荡波形近似于方波，电压振幅接近电源电压。S是电源开关，按一下S，便能驱动T40-16发射出一串40kHZ超声波信号。电路工作电压9V，工作电流约25mA。发射超声波信号大于8m。电路不需调试即可工作。超声波发射电路之三，发射电路原理框图如图所示，由触发脉冲产生的电路产生触发脉冲控制TR1开关管的通断，当TR1导通时，发射脉冲产生电路工作，产生的发生脉冲加到换能器上使其发射超声波；当TR1截止时，换能器停止发射。2.2选取鉴于第三电路易于调节,通过改变几个电阻和电容的值即可使发射电路工作于不同的状态本电路易于和不同的换能器进行匹配,可适用于不同的应用场合。且具有成本低、可靠性高等优点,是一种非常实用且通用的电路。而且前两个电路状态过于理想，在电路的选取上使用第三电路。三、系统的硬件结构3.1触发脉冲产生电路触发脉冲产生电路由两片定时器来实现。第一片555构成一占空比可调的多谐振荡器，用以产生主脉冲。第二片555构成一方波发生器，主空脉冲的周期决定了超声波重复发射的周期。主控脉冲接于第二片555的4端（内部复位端），这使得在主控脉冲的高电平时，方波发生器工作，产生方波脉冲：而主控脉冲为低电平时，方波发生器复位，其波形如图3所示。主控脉冲的频率为：f1=1.43/（RA+RB）C1,其高电平的宽度为：tPH=0.7R1C1。通过调节R2可以方便地改变tPH，从而改变触发脉冲的个数，进而控制发射脉冲的个数。R和R的阻值相等，故第二级555构成一方波发生器，其频率为f2=1.43/（RA+RB）（C+C），为使发射效率高，可适当地选取R5R6C2的值，使f2值与发射换能器的共振频率相等，因对同一型号的不同换能器来说，其共振频率略有差异，故电路中设置了一个可变电容器CP，用以微调方波频率，以获得最高的发射频率。当tPHT时，Q2输出单一脉冲，此时电路为脉冲发射形式，当TtPHnT时，Q2输出n个脉冲，此时电路相当于方波调制的脉冲发射形式；若将A点断开且将其异接于电源端，则Q2输出一连续的方波信号，电路为连续波发射形式。3.2发射脉冲产生电路超声换能器发射脉冲的形成原则上可以有两种方案，一种为电容储能方案，一种为电感储能方案。本文采用一种电容储能和电感储能相结合的方式，它由开关管TR1、储能电容C3,储能电感L等组成。触发到来之前，TR1截止，发射电压通过R8向电容C3充电；当触发脉冲到来时，TR1导通，C3通过TR1向换能器放电。由于TR1的导通电阻小C3上充得的电压几乎全部加到换能器T上，使之获得能量而产生超声辐射。由于一般换能器处存在一个几千PF的分布电容C0，使得C3放电期间，C0也被充电，当触发脉冲后沿到来时，TR1截止，C0上被充得的电荷不会立即消失，而是经T缓慢放电，因此使得换能器发射脉冲的后沿延长（如图5所示）。为改善发射脉冲的后沿和提高发射脉冲的幅值，在T的两端并联了一电感L。在C3放电期间，电感中也有电流流过相当于电感储能；当TR1截止时，电感L中仍维持I0的