第四章 超声波发射电路及接收电路的设计
4.1 超声波发射电路
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 4.1.1 压电陶瓷超声波传感器介绍
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部主要由两个压电晶片和一个共振板组成。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。TR40 系列超声波传感器是利用压电效应工作的传感器，通常我们称之为换能器。TR40 系列超声波传感器的工作过程是：从两个引脚输入40kHz 的脉冲信号，通过其内部的陶瓷片激励器和谐振片转化为机械振动能量，经锥型辐射口将振动信号向外发射。接收端接收的40kHz 的反射信号，使谐振片产生谐振，通过内部转换输出一组信号。超声波发射器T40-16 的电路工作电压为9V，工作电流为40～50mA，发射超声波信号大于8m。超声传感器的工作原理如下：当40KH的脉冲电信号由两引线输入后，由压电陶瓷激励器和谐振片转换成机械振动，经锥形辐射器将超声振动信号向外发射出去。发射出的超声波向空中四面八方直线传播，遇有障碍物后它可以发生反射。接收器在收到由发射器传来的超声波后，使内部的谐振片谐振，通过声电转换作用将声能转换为电脉冲信号，然后输入信号放大器，最后驱动执行器使电路动作。经R40-16 选频后，将40kHz以外的干扰信号衰减只有谐振于40kHz 的有用信号被接收。通过设计放大电路将超声波接收器R40-16 端信号放大并进行距离测量。T/R40-XX系列超声传感器的外形及尺寸，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是谐振器以及，由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一个结合体。谐振器呈喇叭形，目的是能
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有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。如下图所示：
图4.1 压电陶瓷超声波传感器结构图
产品特点
1、高灵敏度、高可靠性、高稳定性
2、耐高、低温度、耐湿度、耐冲击、振动等严酷环境条件 CD4049介绍
CD4049是CMOS集成电路，供电电压范围较广，可以在3~12V工作，工作电流较小，但是性能优越。能够进行六相反向缓存器，是非门一个很好选择。
图4.2 CD4049 结构图和封装形式
本设计采用六相反向缓存器CD4049组成的驱动电路在发射电路中输出40khz的方波，将单极性波变化成双极性的波形，这样可以更好的观察波形并将振荡信号的幅度增大一倍,能够有效地增加超声波地传播距离,达到扩大测距范围的作用. 为防止绝缘电阻下
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降导致超声波传感器转换性能变坏,不能长时间地对传感器施加直流电压，使得波形更加准确。我们加了一个耦合电容，使得波形极性更加准确。 4.1.2 发射电路原理图分析
VCCPC610k10kD9404910CD404910kNPN11E0.2uF40491240khz78Cvcc1635AB40494404920.2uF超声波发射器F404915超声波发射电路14
图4.3 超声波发射电路原理图
在单片机的控制下，在pc6口发出40khz的方波，经过NPN三极管的放大功率，然后经过CD4049与非门提供输出功率，由于CD4049是六相反向缓存器。即是6个与非门，这样则可以改变波的形状。图中标注了CD4049各个引脚的连接方式，1脚要接+5V，而8脚要接地。为防止绝缘电阻下降导致超声波传感器转换性能变坏,不能长时间地对传感器施加直流电压。因此在电路中串入一个耦合电容器, 通过它就可以将直流电压转换为等幅的交变电压，从两个引脚输入40kHz 的脉冲信号，通过其内部的陶瓷片激励器和谐振片转化为机械振动能量，经锥型辐射口将振动信号向外发射40khz的超声波，下面就是发生波形变化，有单极性方波变化成双极性的方波，如下图所示（为细想条件）下：
25us50us75us100ust单极性40khz方波
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25us50us75us100ust双极性40khz方波
图4.4反射电路中方波的变化形式
4.2 超声波接收电路
由于超声波在空气中传播时, 其能量的衰减程度与传播距离成正比, 所以超声波传感器的接收信号一般在1 mV ～ 1 V 之间，因此超声波测距只用于近距离，当距离较远时，衰减较为严重，反射回来的信号相对也比较微弱，因此接收端应先设置一个放大电路，接收电路要提供很高的放大增益, 由于接收传感器的输出是正弦波信号,这就需要设计成交流放大电路，然后通过检波电路对其输出信号进行解调，最后对检波输出信号进行比较整形。超声波接收电路的需要考虑以下几个方面：环境噪声、干扰、温度等影响，
4.2.1震荡选频电路设计：
在本设计中要对40khz的波形进行选频，所以要加一个带通滤波电路，在常见的滤波电路中我们常用并联震荡电路进行选频。如图4.5：理想的电路，无损耗，谐振频率是: f?1/T?1/2?LC 在信号频率较低时，电容的容抗很大，网络呈感性；在信号频率较高时，电感的感抗很大，网络呈容性；只有f=f0时，网络才呈现阻性，而且阻抗很大，这是电路产生电路谐振，电容的电场能转化成磁场能，而电感有能将磁场能转化成电场能，二种能量实现转化。我们要产生40khz的方波，所以选用2uF电容和8mH电感。 第 39页 共 64页
VCC2uF8mH 图4.5 震荡选频电路
根据并联网络的频率特性当f=f0时，电压的放大倍数最大，而且无附加相移，对于其他频率的信号，电压放大倍数不但倍数减小。而且存在相移，电路具有选频特性，所以说叫选频放大电路。这样我们就能把其他频率的波过滤掉。 4.2.2 比较电路的设计 LM393介绍
LM393 为双电压比较器，LM393 系列由两个偏移电压指标低达 2.0 的独立精密电压比较器构成。该产品采用单电源操作设计，且适用电压范围广。该产品也可采用分离式电源，低电耗不受电源电压值影响。本品还有一个特点是，即使是在单电源操作时，其输入共模电压范围也包括接地。LM393 系列可直接与 TTL 及 CMOS 逻辑电路接口。无论时正电源还是负电源操作，低电耗，比标准比较器的优势明显时，LM393 系列便与 MOS 逻辑电路直接接口。
图4.6 LM393结构图
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