超聲波的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊，比如軍事上的聲納技術(shù)，工業(yè)上的無(wú)損探傷、測(cè)距、測(cè)厚，生物醫(yī)學(xué)上的診斷和手術(shù)，農(nóng)業(yè)上的超聲育種、超聲培苗、超聲催產(chǎn)等。
在超聲波應(yīng)用領(lǐng)域中，超聲波發(fā)射電路" title="發(fā)射電路">發(fā)射電路是系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和測(cè)量系統(tǒng)等在性能和精度方面的要求不斷提高，檢測(cè)儀器向高集成度、高靈敏度、低功耗及模塊化方向發(fā)展。其中，超聲發(fā)射電路是影響其性能的關(guān)鍵技術(shù)。超聲發(fā)射電路的主要功能是用來(lái)產(chǎn)生不同形式的超聲波，以滿足實(shí)際需要。目前，超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)方法眾多，其供電直流電壓一般較高，以產(chǎn)生幾十到幾百伏的超聲脈沖激發(fā)電信號(hào)。利用低的直流電壓產(chǎn)生高的電壓激發(fā)脈沖，不僅可以提高檢測(cè)靈敏度，增加檢測(cè)有效范圍，提高檢測(cè)信號(hào)的抗干擾能力，同時(shí)可以使得發(fā)射電路的體積減小，成本降低，便于儀器小型化。
本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有超聲波檢測(cè)發(fā)射電路的研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單、可靠、實(shí)用的發(fā)射電路。該電路以5V低壓電源供電，RLC串聯(lián)諧振產(chǎn)生高壓脈沖" title="高壓脈沖">高壓脈沖信號(hào)，滿足電路便攜和安全性要求，改善了檢測(cè)裝置的靈敏度和抗干擾能力，取得了良好的效果。
2、超聲波檢測(cè)發(fā)射電路基本結(jié)構(gòu)
檢測(cè)電路的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由控制信號(hào)、隔離環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)電路、RLC電路和直流高壓等部分組成。控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)脈沖超聲波發(fā)射控制的功能。隔離電路用來(lái)防止發(fā)射電路可能對(duì)其它電路造成電磁干擾，防止其它電路被燒壞。脈沖信號(hào)通過(guò)功率絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管" title="場(chǎng)效應(yīng)管">場(chǎng)效應(yīng)管的高速關(guān)斷" title="關(guān)斷">關(guān)斷來(lái)產(chǎn)生，驅(qū)動(dòng)功率絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)帶容性負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)，在高頻工作時(shí)電子開關(guān)的電氣特性對(duì)系統(tǒng)的性能有很大影響，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管電容的充、放電造成的損耗十分顯著，為提高脈沖幅值需增強(qiáng)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)特性，需要合理的驅(qū)動(dòng)電路，常用的場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路有CMOS緩沖器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)、場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)管驅(qū)動(dòng)和雙極性三極管功率驅(qū)動(dòng)3種形式[1]。RLC電路通過(guò)諧振產(chǎn)生高頻信號(hào)，通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)調(diào)諧使電路工作在換能器的諧振頻率。直流高壓電源由直流逆變器或其它電源模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。
一般的直流高壓脈沖發(fā)射電路工作過(guò)程，其電路如圖2所示。當(dāng)控制電平V為低電平，開關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)，電容C充電，高壓電源通過(guò)漏極電阻R1對(duì)電容C充電，由于充電過(guò)程在短時(shí)間內(nèi)完成，故R1、C不可取值過(guò)大，且C耐高壓。當(dāng)控制電平V為高電平時(shí)導(dǎo)通" title="導(dǎo)通">導(dǎo)通，電容C通過(guò)R2和D2放電，在探頭上產(chǎn)生負(fù)脈沖電壓，激勵(lì)產(chǎn)生超聲信號(hào)[1-3]。
3、基于低壓電源的RLC串聯(lián)諧振超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)
高壓窄帶脈沖的產(chǎn)生有兩種方案：第一種是用預(yù)先充電到高壓的電容迅速向換能器放電產(chǎn)生；另一種是由儲(chǔ)能" title="儲(chǔ)能">儲(chǔ)能電感瞬時(shí)放電產(chǎn)生。測(cè)試表明，要使裝置中換能器發(fā)射超聲波，需要在其兩端加上百伏的瞬時(shí)高壓脈沖。第一種方案中，需要外加幾百伏的直流高壓電源。而第二種方案是利用儲(chǔ)能電感瞬時(shí)放電產(chǎn)生瞬時(shí)高壓脈沖，只需要直流低壓供電就能達(dá)到要求。基于此想法，我們選用儲(chǔ)能電感瞬時(shí)放電產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，R1用電感L取代，電源換為5V低壓電源。其諧振電路如圖3所示。
此電路以功率開關(guān)管Q為開關(guān)元件，電感L儲(chǔ)能形成觸發(fā)脈沖，不需要提供直流高壓，經(jīng)過(guò)光電偶合器作為隔離器，來(lái)減少電磁干擾，防止燒壞其它電路。當(dāng)輸入到Q的脈沖為正時(shí)，Q導(dǎo)通，Q相當(dāng)于一個(gè)小電阻，與電阻R1、電感L串聯(lián)，和低壓電源一起構(gòu)成回路，L中的電流快速上升進(jìn)行儲(chǔ)能。當(dāng)輸入到Q的脈沖為負(fù)時(shí)，Q的柵極置低，Q迅速關(guān)斷，L，C， R2組成諧振電路快速放電，在電阻R2上形成高壓脈沖，可達(dá)到百伏電壓，如圖4所示，D1，D2起單向開關(guān)作用，匹配網(wǎng)絡(luò)由可調(diào)電阻和電感并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)中的可調(diào)電阻來(lái)改變脈沖的幅度，調(diào)諧匹配電感使其電路工作在諧振頻率上。經(jīng)過(guò)調(diào)諧匹配后測(cè)得加在探頭上的高壓窄帶脈沖如圖5所示
4、等效模型分析
場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通，關(guān)斷對(duì)應(yīng)于發(fā)射電路的充電和放電狀態(tài)，使發(fā)射電路重復(fù)交替工作在這兩種模式。
充電狀態(tài)原理分析：控制信號(hào)為高電平，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，將Q視為理想開關(guān)，其導(dǎo)通電阻R0 ，低壓電源V1與L、R1、Q構(gòu)成回路，L電阻為RL，且流過(guò)電感L中的電流可以近似由下式表示：
此時(shí)電感L上的儲(chǔ)能與換路時(shí)的電流平方成正比。
放電狀態(tài)原理分析：控制信號(hào)為低電平，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，L、C、R2組成串聯(lián)諧振電路，RLC零輸入響應(yīng), 等效電路如圖6所示，初始狀態(tài)如(2)，且電流不發(fā)生躍變，據(jù)圖6得到方程（3）。
式（3）以
為未知量的RLC串聯(lián)電路放電的微分方程，特征方程是
從電流表達(dá)式可以看出，在整個(gè)過(guò)程中，波形將呈現(xiàn)衰減振蕩的狀態(tài)。根據(jù)（6）式可以得出：
即為電流的極值點(diǎn)。綜合上述分析要使電路產(chǎn)生高頻尖脈沖在電路參數(shù)選擇上，要合理選擇
參數(shù)，晶體管的開啟和響應(yīng)時(shí)間要短，阻尼比
盡可能小，衰減因子
要大，振蕩頻率
要高。當(dāng)頻率匹配時(shí)探頭工作在最佳狀態(tài)[4-6]。
5、總結(jié)
超聲檢測(cè)發(fā)射電路以5V低壓電源供電。RLC串聯(lián)諧振，電感儲(chǔ)能產(chǎn)生高頻觸發(fā)脈沖，電路不需要高壓直流電源供電，就能獲得理想的觸發(fā)信號(hào)。并闡述了電路參數(shù)對(duì)脈沖信號(hào)的影響。所設(shè)計(jì)的電路簡(jiǎn)單、安全、實(shí)用，對(duì)檢測(cè)裝置的靈敏度和抗干擾能力有所改善。