一种高精度超声波结冰探测驱动电路的制作方法

1.本发明属于电子电路技术领域，涉及一种高精度超声波结冰探测驱动电路。


背景技术：

2.超声波由于其良好的穿透性和方向性，被广泛的应用于各种检测系统中，如超声波探伤、b超、超声波测距等。在现代飞行器技术中，飞机结冰问题一直是飞行安全的重要影响因素。随着飞行器技术的发展，新型的飞行器对速度和隐身性能都有了更高的需求，这些都对气动外形提出了更高的要求。相较于现在传统结冰探测传感器，超声波探测具有传播范围广，监测区域大，能量集中等特点，将这种技术用于飞机结冰具有十分广阔的研究背景。在结冰探测器保型安装方面，超声波结冰探测器原理上可隔着飞机蒙皮探测，可安装在飞机蒙皮以内，这一特性将会超过所有传统结冰探测传感器。而超声波驱动电路产生的高压窄脉冲信号的脉宽及幅值则将直接影响超声波结冰探测器的核心探测能力，所以研制一种高精度超声波结冰探测驱动电路很有必要。


技术实现要素：

3.本发明的目的是：提供一种可以直接通过dsp控制的高精度超声波结冰探测驱动电路。
4.本发明的技术方案是：一种高精度超声波结冰探测驱动电路，其特征在于：包括方波控制电路、超声波发射电路，超声波隔离电路、超声波放大电路、dsp、超声波换能器、ad转换芯片。由dsp直接发出的ttl电路通过方波控制电路放大后对超声波发射电路进行激励，产生高压窄脉冲，该脉冲激励超声波换能器后产生的反馈信号经过超声波隔离电路保护后由超声波放大电路放大，由ad芯片采集模块进行采集；
5.所述方波控制电路包括反相器n0，电阻r1，电位计r2，电阻r3，高速光耦n1。由dsp发出的方波脉冲信号由反相器n0的6脚输入，反相器n0的输出端5脚依次串联电阻r3、电位计r2，电位计r2的另一端与高速光耦n1的输入端1脚连接。高速光耦n1的2脚、5脚与地相连，电阻r1的1脚与高速光耦7脚相连，电阻r1的2脚与高速光耦n1的8脚相连，高速光耦n1的8脚接vcc电压，电容c1的1脚接电阻r1的2脚，电容c1的2脚接地。
6.所述超声波发射电路包括dcdc模块n2，场效应管q1，400k电阻r1，脉冲电容c1，开关二极管d1，开关二极管d2，电阻r2，换能器；脉冲波由场效应管q1的1脚输入，28v输入正与dcdc模块n2的1脚相连，28v输入负与dcdc模块n2的10脚相连，dcdc模块n2的5脚与电阻r1的1脚相连，dcdc模块n2的4脚接地，电阻r1的2脚与场效应管q1的2脚相连，场效应管q1的3脚接地，脉冲电容c1的1脚与场效应管q1的2脚相连，脉冲电容c1的2脚与开关二极管d2的正极相连，开关二极管d2的正极与开关二极管d1的负极相连，开关二极管d2的负极接地，开关二极管d1的正极接电阻r2的1脚，电阻r2的2脚接地，换能器的正极接电阻r2的1脚，换能器的负极接电阻r2的2脚。
7.超声波隔离电路电路包括电容c2，电阻r3，，快速二极管d3，快速二极管d4；换能器
正极接电容c2的1脚，电容c2的2脚与电阻r3的1脚相连，电阻r3的2脚与快速二极管d3的正极以及快速二极管d4的负极相连，换能器的负极与快速二极管d3的负极、快速二极管d4的正极以及地相连。
8.超声波放大电路包括运算放大器n1，运算放大器n2，减法器n3，电阻r5，电阻r6，电阻r7，电阻r17，电阻r19,电阻r20,电阻r21，电阻r22，电阻r23，电容c3，电容c4,电容c5，电容c8，电位计r18；该电路输入端vin与电阻r5的1脚、运算放大器n1的3脚相连，运算放大器n1的2脚、4脚与运算放大器n2的2脚、4脚与地相连，运算放大器n1的8脚与运算放大器n2的8脚与 5v相连接，运算放大器n1的6脚、运算放大器n2的6脚与-5v相连接，运算放大器n1的5脚与7脚短接并与电阻r6的1脚相连接，电阻r6的2脚与电容c4的1脚及运算放大器n2的3脚相连接，电容c4的2脚与地相连接，运算放大器n1的1脚与电容c3的1脚相连接，电容c3的2脚与地相连接，运算放大器n2的5脚与7脚与电阻r7的1脚相连接，运算放大器n2的1脚与电容c5的1脚相连接，电容c5的2脚与地相连接，电阻r7的2脚与输出相连，电阻r17的1脚接 5v，电阻r17的2脚接电位计r18的1脚，电阻r18的3脚接地，电阻r18的2脚接减法器n3的5脚，减法器n3的6脚接减法器n3的7脚并与电阻r19的1脚相连接，减法器n3的8脚接 5v，减法器n3的4脚接-5v，电阻r19的2脚接减法器n3的2脚并与电阻r20的1脚连接，电阻r20的2脚与减法器n3的1脚及电阻r21的1脚连接，电阻r21的2脚与运算放大器n1的1脚及运算放大器n2的1脚相连接，减法器n3的3脚与电阻r22的1脚及电阻r23的1脚及电容c8的1脚连接，电阻r22的2脚及电阻r23的2脚及电容c8的2脚连接。
9.方波控制电路中高速光耦n1为gh5231，其上升时间为20ns；所述反相器n0具体为54hct04；
10.超声波发射电路中所述dcdc模块n2具体为zhdc28s300，场效应管q1，所述场效应管q1具体为cs830；
11.超声波隔离电路电路中快速二极管d3及快速二极管d4具体为1n4148；
12.超声波放大电路中电阻阻值具体为100ω电阻r5，100ω电阻r6，49.9ω电阻r7，12kω电阻r17，20k电阻r19,10k电阻r20,10ω电阻r21，10kω电阻r22，820ω电阻r23；
13.超声波放大电路中电容具体为1uf电容c3，1pf电容c4,1pf电容c5，1uf电容c8；
14.超声波放大电路中算放大器n1、n2具体型号为ad603；所述运算放大器n3具体型号为7f2227a。
15.本发明具有的优点和有益效果是：本发明的特点是由3.3v信号转换为15v信号时，采用了高压高速光耦，使得控制信号脉宽大大减小，从而大大减小了超声波发射电路产生的高压窄脉冲信号的脉宽。同时高速光耦的隔离功能也可以减小后级电路对dsp芯片的干扰。对于开关场效应管cs830的反应速率为15ns以及1000v的耐压值及外围电路中fr107的20ns导通速率的选用极大地增加了产生的高压窄脉宽信号的幅值，以及大大减小了其脉宽。本发明产生的激励脉冲电压幅值可达到300v，脉宽可达到50ns。能大大提高超声波信号的穿透能力，探测能力及抗干扰能力。
附图说明
16.图1为本发明系统交联图；
17.图2为方波控制电路电路图；
18.图3为超声波发射电路电路图；
19.图4为超声波隔离电路电路图；
20.图5为超声波放大电路电路图。
具体实施方式
21.下面结合实施例对本发明作进一步描述。以下所述仅为本发明一部分实施例，非全部实施例。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.下面结合附图对本发明进一步说明：
23.如图1所示，一种高精度超声波结冰探测驱动电路，由方波控制电路、超声波发射电路，超声波隔离电路及超声波放大电路。
24.如图2所示，为方波控制电路。由于场效应管开启电压为10v，dsp只能提供3.3v方波信号，需要经过放大才能产生10v方波控制信号。dsp提供一个高电平为3.3v，低电平为0v,脉宽为40ns的正脉冲信号，经过可调电阻后输入至高压高速光耦，通过控制其输入电流大小，快速控制高速光耦输出端的关断，形成高压15v，低压0v，脉宽为40ns控制脉冲信号。该电路高速光耦输入端不仅采用可调电阻，使得产生的高压15v，脉宽40ns的脉冲波不仅可通过dsp本身来调节，还可以通过调节输入电阻来调节。
25.如图3所示，为超声波发射电路。该电路采用场效应管cs830作开关元件，开启电压为10v。300v高压由dc-dc高压电源模块zhdc28s300提供，该电源功耗小，功率仅为6w，且输入电压为航空工业大部分飞机供给电压28v。电阻r1和电容c1形成充放电电路，r1为保护电阻，控制电容c1放电电流。探头的发射强度与阻尼电阻r2有关，r2大时阻尼小，发射强度大，r2小时阻尼大，发射强度小。d1、d2为快恢复型二极管fr107，其作用主要是滤除电路中的充电杂波。
26.如图4所示，为超声波隔离电路。因为超声发射电路和高灵敏度接收电路与换能器并联，因此必须加入收发隔离电路，通过两个快恢复稳压二极管d3、d4使高压激励脉冲不能通过或将其幅度限制在很小的范围内,避免接收电路被高压激励脉冲所击毁，而允许回波信号几乎无衰减地通过，电容和电阻的作用是吸收高压脉冲信号。电路中的关键器件时二极管的选择，二极管要保证反向耐压在100v以上，而且能够快速恢复。二极管最终选择1n4148作为电路应用器件。该二极管是一种小型的高频开关二极管，反向耐压值达到100v，反向恢复时间为4ns，可以满足超声信号的频率要求。
27.如图5所示，为超声波放大电路。本设计的核心运放采用了ad603增益可调放大器。ad603具有低噪声、宽频带、增益和增益范围可调整、增益值随外部控制电压线性变化的优点。其在90mhz带宽范围内增益从-11db到31db连续可调，为使增益范围在(20～80)db，电路采用二级放大，其中电阻r5为输入匹配阻抗，r7为输出匹配阻抗，电容c3、c4、c5为滤波电容。vg为可调外部控制电压，由滑动变阻器r18和一个减法器电路组成组成，电压在-0.5v到 0.5v之间连续可调，调节滑动变阻器阻值改变控制电压来调节放大电路增益，其增益为gain(db)＝(40vg 10)db。
28.高精度超声波结冰探测驱动电路，其特征在于：包括方波控制电路、超声波发射电路，超声波隔离电路、超声波放大电路、dsp、超声波换能器、ad转换芯片。由dsp直接发出的
ttl电路通过方波控制电路放大后对发射电路进行激励，产生高压窄脉冲，该脉冲激励超声波换能器后产生的反馈信号经过隔离电路保护后由放大电路放大，由ad采集模块进行采集；
29.所述方波控制电路包括(反相器n0，1.5kω电阻r1，500ω电位计r2，300ω电阻r3，高速光耦n1。所述的高速光耦n1具体为gh5231；所述反相器n0具体为54hct04；由dsp发出的幅值3.3v脉宽为50ns的方波脉冲信号由反相器n0的6脚输入，反相器n0的输出端5脚依次串联电阻r3、电位计r2，电位计r2的另一端与高速光耦n1的输入端1脚连接。高速光耦n1的2脚、5脚与地相连，电阻r1的1脚与高速光耦7脚相连，电阻r1的2脚与高速光耦n1的8脚相连，高速光耦n1的8脚接vcc电压15v-20v，电容c1的1脚接电阻r1的2脚，电容c1的2脚接地。)
30.所述超声波发射电路包括(dcdc模块n2，所述dcdc模块n2具体为zhdc28s300，场效应管q1，所述场效应管q1具体为cs830，400k电阻r1，0.1uf脉冲电容c1，开关二极管d1，开关二极管d2，100ω电阻r2，换能器。幅值为15v脉宽为50ns的脉冲波由场效应管cs830的1脚输入，28v输入正与dcdc模块n2的1脚相连，28v输入负与dcdc模块n2的10脚相连，dcdc模块n2的5脚与电阻r1的1脚相连，dcdc模块n2的4脚接地，电阻r1的2脚与场效应管q1的2脚相连，场效应管q1的3脚接地，脉冲电容c1的1脚与场效应管q1的2脚相连，脉冲电容c1的2脚与开关二极管d2的正极相连，开关二极管d2的正极与开关二极管d1的负极相连，开关二极管d2的负极接地，开关二极管d1的正极接电阻r2的1脚，电阻r2的2脚接地，换能器的正极接电阻r2的1脚，换能器的负极接电阻r2的2脚。)
31.超声波隔离电路电路包括(1uf电容c2，50ω电阻r3，，快速二极管d3，快速二极管d4；所述快速二极管d3及快速二极管d4具体为1n4148；换能器正极接电容c2的1脚，电容c2的2脚与电阻r3的1脚相连，电阻r3的2脚与快速二极管d3的正极以及快速二极管d4的负极相连，换能器的负极与快速二极管d3的负极、快速二极管d4的正极以及地相连。)
32.超声波放大电路电路包括(运算放大器n1，运算放大器n2，减法器n3，100ω电阻r5，100ω电阻r6，49.9ω电阻r7，12kω电阻r17，20k电阻r19,10k电阻r20,10ω电阻r21，10kω电阻r22，820ω电阻r23，1uf电容c3，1pf电容c4,1pf电容c5，1uf电容c8，10k电位计r18；所述运算放大器n1、n2具体型号为ad603；所述运算放大器n3具体型号为7f2227a；该电路输入端vin与电阻r5的1脚、运算放大器n1的3脚相连，运算放大器n1的2脚、4脚与运算放大器n2的2脚、4脚与地相连，运算放大器n1的8脚与运算放大器n2的8脚与 5v相连接，运算放大器n1的6脚、运算放大器n2的6脚与-5v相连接，运算放大器n1的5脚与7脚短接并与电阻r6的1脚相连接，电阻r6的2脚与电容c4的1脚及运算放大器n2的3脚相连接，电容c4的2脚与地相连接，运算放大器n1的1脚与电容c3的1脚相连接，电容c3的2脚与地相连接，运算放大器n2的5脚与7脚与电阻r7的1脚相连接，运算放大器n2的1脚与电容c5的1脚相连接，电容c5的2脚与地相连接，电阻r7的2脚与输出相连，电阻r17的1脚接 5v，电阻r17的2脚接电位计r18的1脚，电阻r18的3脚接地，电阻r18的2脚接减法器n3的5脚，减法器n3的6脚接减法器n3的7脚并与电阻r19的1脚相连接，减法器n3的8脚接 5v，减法器n3的4脚接-5v，电阻r19的2脚接减法器n3的2脚并与电阻r20的1脚连接，电阻r20的2脚与减法器n3的1脚及电阻r21的1脚连接，电阻r21的2脚与运算放大器n1的1脚及运算放大器n2的1脚相连接，减法器n3的3脚与电阻r22的1脚及电阻r23的1脚及电容c8的1脚连接，电阻r22的2脚及电阻r23的2脚及电容c8的2脚连接。)
33.所述方波控制电路时由gh5231高速光耦为核心芯片，其上升时间为20ns。
34.所述方波控制电路输入端加入电位计，从而实现通过控制输入端电流大小来控制输出端的脉宽大小。
35.所述超声波发射电路是以dcdc模块zhdc28s300进行高压300v供电，功率仅为6w，且纹波较小。
36.所述超声波发射电路是由场效应管cs830快速通断产生高压窄脉冲。
37.所述超声波发射电路是通过fr107对该电路进行滤波。
38.所述隔离电路是以1n4148小型高频快恢复型二极管为核心的rc隔离电路。
39.所述超声波放大电路是以ad603增益可调运放实现高频信号的放大。
40.所述超声波放大电路中设计了以7f2227减法器为核心压控电路，实现对ad603放大倍数的控制。
41.所述超声波放大电路在两极放大电路之间增加了lc滤波电路。
42.所述超声波放大电路选用100ω电阻匹配输入阻抗，所述超声波放大电路选用50ω电阻匹配输出阻抗。
43.本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。