基于Multisim的超声波发射电路设计及仿真

0 引 言

随着科技的进步，无损检测技术越来越多地被应用于实 际生产和生活中。因为超声波具有定向性好、能量集中，在传 输过程中衰减较小，反射能力较强等特点，不受光线、被测物 颜色等的影响，在恶劣环境下具有较强的适应能力，因此超声 波技术是无损检测技术中极具优势的一种。本文着重介绍了 利用高压直流电源实现发送脉冲驱动信号的超声波发射电路， 并利用 Multisim 软件对电路进行了仿真验证。

1 发射电路原理图设计及仿真结果

1.1 电路设计 发射电路原理如图 1 所示。

V2 为 IGBT 开关管 Q1提供的方波驱动信号。电路上电时， 当 MOS 管 Q1 没有驱动信号到来时，Q1关断，V1 高压直流电 源通过电阻 R1、R2 和电容C1组成的回路对C1充电，充电完成后， C1 左侧电势约为 U1。当 Q1 的驱动信号为高电平时，Q1 开关 管导通，C1 左侧相当于接地。由于电容两端的电势差不能突变， 因此 C1 右侧电势将变为－U1，且随着时间的推移逐渐衰减（电 容放电），产生一个高压脉冲驱动信号，此脉冲驱动信号通过 匹配电阻 R3 和 R4 后被加在压电换能器上，驱动换能器发出超 声波，该方式属于脉冲激励方式。V2 驱动信号的占空比应根据 C1 进行调整，电容充放电时间需要根据发射的超声波主频率 来确定。其中，电容 C1 充放电的时间计算方法如下：

充放电时间为：τ=1/（ReqC1），其中：Req=R1+R2。

1.2 电路仿真结果

电路仿真结果如图 2 所示。

图2 中，通道 A为 V2 输出的 Q1 方波驱动信号，其占空比 为 12%，方波幅值为 +5 V，频率为 1 MHz。通道 B 为发射电 路输出的脉冲驱动信号波形，其输出信号幅值约为－ 450 V，此 电压水平足以驱动许多换能器，频率为1 MHz，且波形较为稳定， 无其他杂波，对于超声波信号的处理而言具有很大好处。由仿 真结果可知，文中所设计的超声波发射电路符合要求。

2 结 语

本文设计的超声波发射电路由高压直流电源供电，电路 设计较为简单，在 1 MHz 频率下依然能够发出较高的驱动电 压，对解决高频率下电压限制问题具有很大的帮助。对此电路 进行了详细的理论分析，并通过仿真软件验证了电路设计的正 确性。