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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)管Q為開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí),，將Q視為理想開(kāi)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(kāi)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(kāi)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,。