电磁兼容(EMC)设计与整改
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闫康

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一种多探头双频超声波接收威廉希尔官方网站 创新设计

1.引言
现代渔业主要利用探鱼器来探测水下鱼类资源的分布,提高捕鱼业的产量。探鱼器利用的就是超声波探测的原理,由超声波探头根据需求发射出相应频率的超声波,超声波在遇到水中不同障碍物后反射回来,被探头接收。根据对反射数据的分析,最终得到该水域的信息。随着探鱼器的发展,为了探测更多更详细的水域信息,大角度多频率探测为了发展的趋势。所以增加超声波探测角度一般有两种方式,单探头的机械回扫探测和多个探头探测。由于单探头的机械回扫威廉希尔官方网站 设计复杂,且探测间隔受到机械回扫速度的限制,所以一般采用多探头的方式。传统多探头接收威廉希尔官方网站 由多个独立的单探头接收威廉希尔官方网站 组成,且只能接收一种频率的超声波,硬件体积庞大,成本高昂且效率低下。本文以三个双频探头为例子,设计了一种新的多探头双频超声波接收威廉希尔官方网站 。

回帖(4)

王育来

2019-6-24 08:49:25
2.整体威廉希尔官方网站 概述
本设计采用了三个双频超声波探头分时切换接收的新方法,接收威廉希尔官方网站 主要由前级放大威廉希尔官方网站 ,开关切换威廉希尔官方网站 ,带通滤波威廉希尔官方网站 和后级放大威廉希尔官方网站 四个部分组成。信号经过独立的前级放大威廉希尔官方网站 初步放大信号后,由模拟开关组成的开关切换威廉希尔官方网站 切换至所需的带通滤波威廉希尔官方网站 进行滤波放大,最后再经后级放大威廉希尔官方网站 放大,转化为DSPIC芯片的AD模块适合的电压范围。

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王鹏

2019-6-24 08:49:31
3.具体威廉希尔官方网站 设计
3.1 前级放大威廉希尔官方网站
前级放大威廉希尔官方网站 的功能是隔离和初步放大。由于超声波探头工作在收发一体的方式,所以接收威廉希尔官方网站 首先要经过一个隔离威廉希尔官方网站 。如图1所示,我们采用两个反向并联的1N4148二极管D1、D2接地达到隔离目的。当发射的时候,高压脉冲信号将直接通过二极管对地放电,二极管等效为短路,不会烧坏接收威廉希尔官方网站 。当探头接收的时候,微小的信号无法使二极管导通,相当与断路,微小信号由后续接收威廉希尔官方网站 放大接收。
放大部分采用9013三极管搭建的共发射极放大威廉希尔官方网站 ,R3、R5为负反馈电阻,起到稳定BJT的偏置点的作用。放大威廉希尔官方网站 增益为:

令β=120,算得到gm约为0.03.此时根据公式1可计算信号增益Av约等于61.6.
3.2 开关切换威廉希尔官方网站
开关切换威廉希尔官方网站 由4066模拟开关组成,由DSPIC芯片引脚控制开关的开合。在发射威廉希尔官方网站 发射超声波脉冲后,威廉希尔官方网站 进入接收模式。
芯片控制模拟开关选定将要接收的是三个探头中的哪个,且接收的超声波频率为多少,然后开始接收。
模拟开关切换接收这一创新方式,使得多个超声波探头共享一套后级放大威廉希尔官方网站 ,由于后级出放大威廉希尔官方网站 的硬件成本较高,该方式大大节约了威廉希尔官方网站 成本。路径切换原理如图2所示:

值得注意的是,模拟开关切换后需要一段时间威廉希尔官方网站 才能重新稳定,所以在这段时间内不适合接收信号。根据实际测量,本接收威廉希尔官方网站 在开关切换后需要10毫秒才能重新稳定。
3.3 带通滤波威廉希尔官方网站
带通滤波威廉希尔官方网站 是由运放构成的有源带通滤波器两级级联而成,单级且中心频率为76KHz的威廉希尔官方网站 及其响应曲线如图3所示:


中心频率0 f 为:

考虑到电阻和电容的取值不能是任意值,而应该是常用的值,所以设计出来的滤波器的中心频率跟预期的中心频率存在一定误差。根据公式2计算,当R0=R1取10K,R2取87K,C1=C2取100p的时候,电压最大增益为4.35,中心频率约为76.3KHz,带宽为36.6KHz.当R0=R1取3.3K,R2取38K,C1=C2取100p的时候,电压最大增益为5.76,中心频率约为201KHz,带宽为83.8KHz.由于两个中心频率的绝对误差均远小于各自带宽,所以认为上述威廉希尔官方网站 参数取值是合理的。两级级联后中心频率不变,电压增益为单级的平方。
3.4 后级放大威廉希尔官方网站
由于超声波接收信号的变化幅度很大,从几个微伏到几个豪伏,为了充分利用芯片AD的电压范围,创新设计了以对数放大器和运放组成的后级放大威廉希尔官方网站 ,如图4所示。当输入信号弱时,它相当于一个线性放大器,增益较大。当输入信号较强时,它变成对数放大器,增益随输入信号的增加而减小。对数放大器保证了超声波接收威廉希尔官方网站 有很宽的动态范围。经过AD8310对数放大器,原先的高频信号转变为低频的原信号包络。

经过对数放大器的信号输入给同相输入组态的运算放大器,进行最后信号幅度调整。改变反馈电阻的阻值,可以改变该放大威廉希尔官方网站 的增益,具体要求是最终输出到AD引脚的信号的最大幅度值应该略小于芯片AD的范围。由于DSPIC芯片的AD范围为0-3.3V,在这里我们调整反馈电阻,使最终信号的最大幅度约为3V.
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何洁萍

2019-6-24 08:49:36
4.威廉希尔官方网站 验证
威廉希尔官方网站 的实测输出波形如图5所示,在威廉希尔官方网站 接收到微弱的反射信号的时候,超声波探头产生几个微伏的电压,经本威廉希尔官方网站 放大接收后,输出电压幅度约为3V,略小于3.3V的AD范围,满足预先的设计要求。

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韦薇

2019-6-24 08:49:38
5.结束语
本方案中创新设计了一种多探头双频超声波接收威廉希尔官方网站 ,经实验验证,能够成功控制三个双频超声波探头正常工作。该威廉希尔官方网站 成本低,简单高效,并具有良好的扩展性,为多探头多频率的超声波应用提供了一种新的可行方案。
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