基于开关电容能量球的低噪声超声测距仪的研究

　　1　引言

　　空气中超声波回波测距仪的设计,主要面临空气扰动和环境干扰造成的测距变短问题,现有技术普遍采用变压器升压方式激励探头[1],一般情况下测量距离可达15m左右。为了进一步增加测量距离,提高信噪比,人们普遍采取了后继的信号处理方法,如相关降噪法,伪随机波型发射接收法和波形类比相似法[224]等来识别回波,增加信噪比。

　　近年来,基于微波电路中LC或RC微型压控振荡驱动技术[5]的发展成为研究的热点,尤其体积小、抗干扰性强的开关电路逐渐成为研究的重点,本文尝试将它引入到超声波测距上,通过采用新的电路设计降低原有变压器电路的本底噪声,提高测量的稳定性,增加测量距离。通过试验,本文设计了一套基于开关电容的低噪声超声波发射与接收电路,即一种隔离的具有信号发射和接收功能的储能驱动电路,分时和分区段地对超声波探头分别进行激励,从时间和空间上切断发射信号对接收信号的干扰,消除产生电噪声信号的基础,做到“零噪声”输入,从而提高电路的信噪比,增强仪表的测距能力。

　　2　新型超声波脉冲发射接收电路

　　2.1低噪声开关电路模型

　　对于单发单收的超声波电路,低噪声开关电容电路设计如图1所示。

　　图中包括控制单元和振荡激励系统2部分。控制单元采用单片机控制,根据开关S1、S2和S3的时序,分别独立控制不同回路。振荡激励系统中,考虑高低压电路和高低频电路混合设计带来的电噪声干扰。独立设计了3个隔离回路:低压充电回路、高压储能回路和储能放电回路。

　　低压充电回路为高频自激振荡方式,包括+5V低压供电电源、振荡器单元1、高频开关S1和变压器L。高频开关S1调制的高频信号通过变压器耦合回路,向储能电容C0持续充电,此时开关S2导通,充电时间由S1确定,　时间不同,充电的电压不同。在低压充电回路中,采用高频变压器绕组,提高能量转换效率,减小电路体积。以储能电容C0为主的储能回路,在S1停止充电后,　　其充电电压可以上升到300~500V,此时断开S2,大量电荷存储在C0中,形成一个静态的储能高压单元。当S3按一定的频率开关时,形成对探头的高压放电激励(图中探头以RLC串联等效回路表示)。

　　由C0持续向S3提供能量,形成储能放电回路。此时激励电压为短时可控的高压脉冲。开关S3采用绝缘场效应管,调整S3的开关频率,则闭合回路会形成自激谐振,在探头两端形成1 500V左右的振荡电压。

　　2.2超声波发射和接收时序分析

　　S1、S2和S3的时序图如图2所示。由图可见,在时间段t1开始时,S1和S2闭合,振荡器单元1开始高频振荡,原边振荡电压产生的激励信号经高频变压器副边传递给储能电容C0,充电电压的幅值与电荷能量由控制单元确定,经过时间t1,C0充电至预定值