基于Multisim的超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)及仿真

賈文水 王仁寶 郭立全

摘 要：文中設(shè)計(jì)了一種基于高壓直流電源的超聲波發(fā)射電路，利用電容特性在開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷過程中產(chǎn)生的較高脈沖電壓來激勵(lì)超聲波換能器，并使用Multisim仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得出了正確的仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞：高壓直流電源；超聲波；發(fā)射電路；Multisim

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）01-00-01

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步，無損檢測(cè)技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)和生活中。因?yàn)槌暡ň哂卸ㄏ蛐院?、能量集中，在傳輸過程中衰減較小，反射能力較強(qiáng)等特點(diǎn)，不受光線、被測(cè)物顏色等的影響，在惡劣環(huán)境下具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，因此超聲波技術(shù)是無損檢測(cè)技術(shù)中極具優(yōu)勢(shì)的一種。本文著重介紹了利用高壓直流電源實(shí)現(xiàn)發(fā)送脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)的超聲波發(fā)射電路，并利用Multisim軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 發(fā)射電路原理圖設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果

1.1 電路設(shè)計(jì)

發(fā)射電路原理如圖1所示。

V2為IGBT開關(guān)管Q1提供的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)。電路上電時(shí)，當(dāng)MOS管Q1沒有驅(qū)動(dòng)信號(hào)到來時(shí)，Q1關(guān)斷，V1高壓直流電源通過電阻R1、R2和電容C1組成的回路對(duì)C1充電，充電完成后，C1左側(cè)電勢(shì)約為U1。當(dāng)Q1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，Q1開關(guān)管導(dǎo)通，C1左側(cè)相當(dāng)于接地。由于電容兩端的電勢(shì)差不能突變，因此C1右側(cè)電勢(shì)將變?yōu)?U1，且隨著時(shí)間的推移逐漸衰減（電容放電），產(chǎn)生一個(gè)高壓脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，此脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過匹配電阻R3和R4后被加在壓電換能器上，驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)出超聲波，該方式屬于脈沖激勵(lì)方式。V2驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比應(yīng)根據(jù)C1進(jìn)行調(diào)整，電容充放電時(shí)間需要根據(jù)發(fā)射的超聲波主頻率來確定。其中，電容C1充放電的時(shí)間計(jì)算方法如下：

充放電時(shí)間為：τ=1/（ReqC1），其中：Req=R1+R2。

1.2 電路仿真結(jié)果

電路仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2中，通道A為V2輸出的Q1方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其占空比為12%，方波幅值為+5 V，頻率為1 MHz。通道B為發(fā)射電路輸出的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，其輸出信號(hào)幅值約為-450 V，此電壓水平足以驅(qū)動(dòng)許多換能器，頻率為1 MHz，且波形較為穩(wěn)定，無其他雜波，對(duì)于超聲波信號(hào)的處理而言具有很大好處。由仿真結(jié)果可知，文中所設(shè)計(jì)的超聲波發(fā)射電路符合要求。

2 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的超聲波發(fā)射電路由高壓直流電源供電，電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，在1 MHz頻率下依然能夠發(fā)出較高的驅(qū)動(dòng)電壓，對(duì)解決高頻率下電壓限制問題具有很大的幫助。對(duì)此電路進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，并通過仿真軟件驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)的正確性。

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