超声波发射电路设计

课 程 设 计 说 明 书

学生姓名：   杨胜华   学 号： **********   

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   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： **********          

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                     

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

课 程 设 计 任 务 书

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．Protel 99 SE 简介及原理图绘制

   4.1 Protel 99 SE 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tPH   

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 的存在，故钻L两端将产生一个上下负的反电势，这加速了C0的放电速度，使发射脉冲的后沿变陡了，且发射脉冲的峰峰值增大了近一倍，有效地提高了发射效率。二极管D5D6的作用是在发射开关管TR1与接收放大器之间形成一个隔离级。

3.3 换能器部分

将非电能量转换成电能量，不需要外电源，称换能器，也称有源传感器 。

　　换能器是超声波设备的核心器件，其特性参数决定整个设备的性能。 

现在用的超声波换能器，除了磁致伸缩结构以外就是常用的用前后盖板夹紧压电陶瓷的“朗之万”换能器，超声波就是通过换能器将高频电能转换为机械振动。换能器的特性取决与选材和制作工艺，同样尺寸外形的换能器的性能和使用寿命是千差万别的。

而在电路中暂用石英振荡器（简称“晶振”）代替。

四．Protel 99 SE 简介及原理图绘制

4.1 Protel 99 SE 简介及原理图绘制

本文采用的电路图绘制软件是Protel 99 SE。

Protel 99 SE设计系统是一套建立在PC环境下的ED（Electronic Ddsign Automation）电路集成设计系统。Protel 99 SE就是由早期Protel版本发展而来的，是基于Windows95/98/2000/XP环境的新一代电路原理图辅助设计与绘制软件，其功能模块包括电路原理图设计、印制电路电路板设计、无网格布线器、可编程逻辑器件设计、电路图模拟/仿真等。它是集电路设计与开发环境于一体的软件。

Protel 99 SE的主要功能模块包括电路原理图设计、PCB板设计和电路仿真器件设计，各模块具有丰富的功能，可以实现电路设计与分析的目的。

原理图设计

（1）选取元器件:根据原理图中所需选取合适的元器件。一般经常用到的元器件在常用元件中都可以找到，但是有些元器件在里面是找不到的或者是找不到合适的，我们可以将不合适的元器件进入Edit编辑，将其改动为我们所需要的，没有得就只有自己手动制作元器件了，在原理图设计当中我就自己做了个继电器。

（2）布局: 将各元器件根据设计需要摆放在合理的位置，使原理图在不影响工作的情况下看起来美观。

（3）布线：将元器件各管脚，根据电路所需连接起来。一般情况下可以用wire直接布线，它具有电器规则，有些电路图还用到总线bus和Netlablle，bus不具有电器规则，Netlablle具有电器规则。

（4）封装：属性设置，既根据电路原理图所需，选取合适的封装。在这一部分我用了大量的时间，因为封装如果有错误，就直接会影响到后面PCB的生成。封装库中的封装只是一部分，有些在里边是根本找不到的，需要自制一个封装，在这次制作当中继电器是这次设计的难点。在库中找不到，就必须先测量其大小数值，再根据所得数值制作。

总结

1、通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和PCB连接图，和芯片上的选择。这个方案总共使用了，NE555定时器各两个，2N2714一个，超声波换能器一个，二极管若干，电容电感电阻若干。

2、在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间有很多。譬如一些元器件在Multism中无法仿真，使用Multism时也会经常出现仿真错误，仿真失败的现象。每每出现这样的情况，总是会花费很多时间解决。

3、我们做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。

4、在制作原理图时，我们发现细心耐心，恒心一定要有才能做好事情，首先是线的布局上既要美观又要实用和走线简单，兼顾到方方面面去考虑是很需要的，否则只是一纸空话。

5、在画好原理图后的做原理图时，由于项目组成员对单面板的不熟悉，导致布线后元件出现在另一边，增加了布线难度，也产生很多不曾注意的问题，今后要牢记这个教训，使以后布线更加顺利。

6、在实际的仿真连线中，因为是自己选择相关器件，可能会出现仿真结果不完善的地方。同时自己在仿真过程中对电路原理图有所修改，如因为没有找到合适的二极管型号，在第二片555定时器的2、6端没有像原理图那样加入二极管，致使仿真结果有所偏差。在最后的开关三极管选用中最初也没有考虑到频限的问题。

7、此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。

8、在此，感谢程老师和的细心指导，也同样谢谢其他各组同学的无私帮助！

五、参考资料

阎石.数字电子技术基础.            北京：高等教育出版社，  1998；

王远.模拟电子技术.                北京：机械工业出版社，  2001；

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；

毕满清.电子技术实验与课程设计.    北京：机械工业出版社，

2006；

曹茂永.一种通用的超声波发射电路.   仪表技术   1997年第三期

六、附录一：超声波发射电路仿真图。

仿真图：

仿真结果：

附录二：超声波发射电路原理图。

总原理图：

触发脉冲产生部分：

发射脉冲产生部分：

其余部分：