超聲波的應用領域非常廣闊,，比如軍事上的聲納技術,，工業(yè)上的無損探傷、測距,、測厚,，生物醫(yī)學上的診斷和手術，農業(yè)上的超聲育種,、超聲培苗,、超聲催產等。

　　在超聲波應用領域中,，超聲波發(fā)射電路" title="發(fā)射電路">發(fā)射電路是系統(tǒng)中的關鍵部件,。隨著電子技術的發(fā)展和測量系統(tǒng)等在性能和精度方面的要求不斷提高,，檢測儀器向高集成度、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鍵技術,。超聲發(fā)射電路的主要功能是用來產生不同形式的超聲波,，以滿足實際需要。目前,，超聲波發(fā)射電路設計方法眾多,，其供電直流電壓一般較高，以產生幾十到幾百伏的超聲脈沖激發(fā)電信號,。利用低的直流電壓產生高的電壓激發(fā)脈沖,，不僅可以提高檢測靈敏度，增加檢測有效范圍,，提高檢測信號的抗干擾能力,，同時可以使得發(fā)射電路的體積減小，成本降低,，便于儀器小型化,。

　　本文通過對現(xiàn)有超聲波檢測發(fā)射電路的研究的基礎上，設計了一種簡單,、可靠,、實用的發(fā)射電路。該電路以5V低壓電源供電,，RLC串聯(lián)諧振產生高壓脈沖" title="高壓脈沖">高壓脈沖信號,，滿足電路便攜和安全性要求，改善了檢測裝置的靈敏度和抗干擾能力,，取得了良好的效果,。

2、超聲波檢測發(fā)射電路基本結構

　　檢測電路的基本結構如圖1所示,，主要由控制信號,、隔離環(huán)節(jié)、驅動電路,、RLC電路和直流高壓等部分組成,。控制信號實現(xiàn)脈沖超聲波發(fā)射控制的功能,。隔離電路用來防止發(fā)射電路可能對其它電路造成電磁干擾,，防止其它電路被燒壞。脈沖信號通過功率絕緣柵場效應管" title="場效應管">場效應管的高速關斷" title="關斷">關斷來產生,，驅動功率絕緣柵場效應管相當于驅動帶容性負載的網絡,，在高頻工作時電子開關的電氣特性對系統(tǒng)的性能有很大影響,，絕緣柵場效應管電容的充、放電造成的損耗十分顯著,，為提高脈沖幅值需增強絕緣柵場效應管的開關特性,，需要合理的驅動電路，常用的場效應管驅動電路有CMOS緩沖器并聯(lián)驅動,、場效應管對管驅動和雙極性三極管功率驅動3種形式[1],。RLC電路通過諧振產生高頻信號，通過匹配網絡來調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實現(xiàn),。

　　一般的直流高壓脈沖發(fā)射電路工作過程，其電路如圖2所示,。當控制電平V為低電平，開關管Q關斷時,，電容C充電,，高壓電源通過漏極電阻R1對電容C充電，由于充電過程在短時間內完成,，故R1,、C不可取值過大，且C耐高壓,。當控制電平V為高電平時導通" title="導通">導通,，電容C通過R2和D2放電，在探頭上產生負脈沖電壓,，激勵產生超聲信號[1-3],。

3、基于低壓電源的RLC串聯(lián)諧振超聲波發(fā)射電路設計

　　高壓窄帶脈沖的產生有兩種方案：第一種是用預先充電到高壓的電容迅速向換能器放電產生,；另一種是由儲能" title="儲能">儲能電感瞬時放電產生,。測試表明，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能電感瞬時放電產生瞬時高壓脈沖,，只需要直流低壓供電就能達到要求?；诖讼敕?，我們選用儲能電感瞬時放電產生瞬時高壓，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,。

　　此電路以功率開關管Q為開關元件，電感L儲能形成觸發(fā)脈沖,，不需要提供直流高壓,，經過光電偶合器作為隔離器，來減少電磁干擾,，防止燒壞其它電路,。當輸入到Q的脈沖為正時，Q導通,，Q相當于一個小電阻,，與電阻R1、電感L串聯(lián),，和低壓電源一起構成回路,，L中的電流快速上升進行儲能。當輸入到Q的脈沖為負時,，Q的柵極置低,，Q迅速關斷，L,，C,， R2組成諧振電路快速放電，在電阻R2上形成高壓脈沖,，可達到百伏電壓,，如圖4所示，D1,，D2起單向開關作用,，匹配網絡由可調電阻和電感并聯(lián)實現(xiàn)，通過調節(jié)匹配網絡中的可調電阻來改變脈沖的幅度,，調諧匹配電感使其電路工作在諧振頻率上,。經過調諧匹配后測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

　　場效應管的導通,，關斷對應于發(fā)射電路的充電和放電狀態(tài),，使發(fā)射電路重復交替工作在這兩種模式。

　　充電狀態(tài)原理分析：控制信號為高電平,，開關管導通時,，將Q視為理想開關，其導通電阻R0 ,，低壓電源V1與L,、R1、Q構成回路，L電阻為RL,，且流過電感L中的電流可以近似由下式表示：

　　此時電感L上的儲能與換路時的電流平方成正比,。

　　放電狀態(tài)原理分析：控制信號為低電平，開關管關斷時,，L,、C、R2組成串聯(lián)諧振電路,，RLC零輸入響應, 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

　　從電流表達式可以看出,，在整個過程中,，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,。綜合上述分析要使電路產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時間要短,，阻尼比盡可能小，衰減因子要大,，振蕩頻率要高,。當頻率匹配時探頭工作在最佳狀態(tài)[4-6]。

5,、總結

　　超聲檢測發(fā)射電路以5V低壓電源供電,。RLC串聯(lián)諧振，電感儲能產生高頻觸發(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。并闡述了電路參數(shù)對脈沖信號的影響,。所設計的電路簡單,、安全、實用,，對檢測裝置的靈敏度和抗干擾能力有所改善,。