基于Multisim的超声波发射电路设计及仿真

[导读]摘 要:文中设计了一种基于高压直流电源的超声波发射电路,利用电容特性在开关管导通和关断过程中产生的较高脉冲电压来激励超声波换能器,并使用Multisim仿真软件进行仿真验证,得出了正确的仿真结果。

0 引 言

随着科技的进步,无损检测技术越来越多地被应用于实 际生产和生活中。因为具有定向性好、能量集中,在传 输过程中衰减较小,反射能力较强等特点,不受光线、被测物 颜色等的影响,在恶劣环境下具有较强的适应能力,因此超声 波技术是无损检测技术中极具优势的一种。本文着重介绍了 利用高压直流电源实现发送脉冲驱动信号的超声波, 并利用 Multisim 软件对电路进行了仿真验证。

1 发射电路原理图设计及仿真结果

1.1 电路设计 发射电路原理如图 1 所示。

V2 为 IGBT 开关管 Q1提供的方波驱动信号。电路上电时, 当 MOS 管 Q1 没有驱动信号到来时,Q1关断,V1 高压直流电 源通过电阻 R1、R2 和电容C1组成的回路对C1充电,充电完成后, C1 左侧电势约为 U1。当 Q1 的驱动信号为高电平时,Q1 开关 管导通,C1 左侧相当于接地。由于电容两端的电势差不能突变, 因此 C1 右侧电势将变为-U1,且随着时间的推移逐渐衰减(电 容放电),产生一个高压脉冲驱动信号,此脉冲驱动信号通过 匹配电阻 R3 和 R4 后被加在压电换能器上,驱动换能器发出超 声波,该方式属于脉冲激励方式。V2 驱动信号的占空比应根据 C1 进行调整,电容充放电时间需要根据发射的超声波主频率 来确定。其中,电容 C1 充放电的时间计算方法如下:

充放电时间为:τ=1/(ReqC1),其中:Req=R1+R2。

1.2 电路仿真结果

电路仿真结果如图 2 所示。

图2 中,通道 A为 V2 输出的 Q1 方波驱动信号,其占空比 为 12%,方波幅值为 +5 V,频率为 1 MHz。通道 B 为发射电 路输出的脉冲驱动信号波形,其输出信号幅值约为- 450 V,此 电压水平足以驱动许多换能器,频率为1 MHz,且波形较为稳定, 无其他杂波,对于超声波信号的处理而言具有很大好处。由仿 真结果可知,文中所设计的超声波发射电路符合要求。

2 结 语

本文设计的由高压直流电源供电,电路 设计较为简单,在 1 MHz 频率下依然能够发出较高的驱动电 压,对解决高频率下电压限制问题具有很大的帮助。对此电路 进行了详细的理论分析,并通过仿真软件验证了电路设计的正 确性。

欲知详情,请下载word文档