一种新型多探头双频超声波接收电路的设计方案

1.引言

现代渔业主要利用探鱼器来探测水下鱼类资源的分布，提高捕鱼业的产量。探鱼器利用的就是超声波探测的原理，由超声波探头根据需求发射出相应频率的超声波，超声波在遇到水中不同障碍物后反射回来，被探头接收。根据对反射数据的分析，最终得到该水域的信息。随着探鱼器的发展，为了探测更多更详细的水域信息，大角度多频率探测为了发展的趋势。所以增加超声波探测角度一般有两种方式，单探头的机械回扫探测和多个探头探测。由于单探头的机械回扫电路设计复杂，且探测间隔受到机械回扫速度的限制，所以一般采用多探头的方式。传统多探头接收电路由多个独立的单探头接收电路组成，且只能接收一种频率的超声波，硬件体积庞大，成本高昂且效率低下。本文以三个双频探头为例子，设计了一种新的多探头双频超声波接收电路。

2.整体电路概述

本设计采用了三个双频超声波探头分时切换接收的新方法，接收电路主要由前级放大电路，开关切换电路，带通滤波电路和后级放大电路四个部分组成。信号经过独立的前级放大电路初步放大信号后，由模拟开关组成的开关切换电路切换至所需的带通滤波电路进行滤波放大，最后再经后级放大电路放大，转化为DSPIC芯片的AD模块适合的电压范围。

3.具体电路设计

3.1 前级放大电路

前级放大电路的功能是隔离和初步放大。由于超声波探头工作在收发一体的方式，所以接收电路首先要经过一个隔离电路。如图1所示，我们采用两个反向并联的1N4148二极管D1、D2接地达到隔离目的。当发射的时候，高压脉冲信号将直接通过二极管对地放电，二极管等效为短路，不会烧坏接收电路。当探头接收的时候，微小的信号无法使二极管导通，相当与断路，微小信号由后续接收电路放大接收。

放大部分采用9013三极管搭建的共发射极放大电路，R3、R5为负反馈电阻，起到稳定BJT的偏置点的作用。放大电路增益为：

令β=120,算得到gm约为0.03.此时根据公式1可计算信号增益Av约等于61.6.

3.2 开关切换电路

开关切换电路由4066模拟开关组成，由DSPIC芯片引脚控制开关的开合。在发射电路发射超声波脉冲后，电路进入接收模式。

芯片控制模拟开关选定将要接收的是三个探头中的哪个，且接收的超声波频率为多少，然后开始接收。

模拟开关切换接收这一创新方式，使得多个超声波探头共享一套后级放大电路，由于后级出放大电路的硬件成本较高，该方式大大节约了电路成本。路径切换原理如图2所示：

值得注意的是，模拟开关切换后需要一段时间电路才能重新稳定，所以在这段时间内不适合接收信号。根据实际测量，本接收电路在开关切换后需要10毫秒才能重新稳定。

3.3 带通滤波电路

带通滤波电路是由运放构成的有源带通滤波器两级级联而成，单级且中心频率为76KHz的电路及其响应曲线如图3所示：

中心频率0 f 为：

考虑到电阻和电容的取值不能是任意值，而应该是常用的值，所以设计出来的滤波器的中心频率跟预期的中心频率存在一定误差。根据公式2计算，当R0=R1取10K,R2取87K,C1=C2取100p的时候，电压最大增益为4.35,中心频率约为76.3KHz,带宽为36.6KHz.当R0=R1取3.3K,R2取38K,C1=C2取100p的时候，电压最大增益为5.76,中心频率约为201KHz,带宽为83.8KHz.由于两个中心频率的绝对误差均远小于各自带宽，所以认为上述电路参数取值是合理的。两级级联后中心频率不变，电压增益为单级的平方。

3.4 后级放大电路

由于超声波接收信号的变化幅度很大，从几个微伏到几个豪伏，为了充分利用芯片AD的电压范围，创新设计了以对数放大器和运放组成的后级放大电路，如图4所示。当输入信号弱时，它相当于一个线性放大器，增益较大。当输入信号较强时，它变成对数放大器，增益随输入信号的增加而减小。对数放大器保证了超声波接收电路有很宽的动态范围。经过AD8310对数放大器，原先的高频信号转变为低频的原信号包络。

经过对数放大器的信号输入给同相输入组态的运算放大器，进行最后信号幅度调整。改变反馈电阻的阻值，可以改变该放大电路的增益，具体要求是最终输出到AD引脚的信号的最大幅度值应该略小于芯片AD的范围。由于DSPIC芯片的AD范围为0-3.3V,在这里我们调整反馈电阻，使最终信号的最大幅度约为3V.

4.电路验证

电路的实测输出波形如图5所示，在电路接收到微弱的反射信号的时候，超声波探头产生几个微伏的电压，经本电路放大接收后，输出电压幅度约为3V,略小于3.3V的AD范围，满足预先的设计要求。

5.结束语

本方案中创新设计了一种多探头双频超声波接收电路，经实验验证，能够成功控制三个双频超声波探头正常工作。该电路成本低，简单高效，并具有良好的扩展性，为多探头多频率的超声波应用提供了一种新的可行方案。