超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上中北大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書學(xué)生姓名： 楊勝華 學(xué) 號： 學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 題 目： 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師： 程耀瑜 職稱: 教授 李文強(qiáng) 職稱： 講師 2011 年 1 月 7 日 中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 2010/2011 學(xué)年第 一 學(xué)期學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 生 姓 名： 楊勝華 學(xué) 號： 課程設(shè)計(jì)題目： 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì) 起 迄 日 期： 12月26日1月 7日 課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 中北大學(xué) 指 導(dǎo) 教 師： 程耀瑜，李文強(qiáng) 系 主 任： 程耀瑜 下達(dá)任務(wù)書日期:

2、2010 年 12 月 26 日課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書1設(shè)計(jì)目的：本課程設(shè)計(jì)主要針對模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)課程要求，培養(yǎng)學(xué)生在查閱資料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)用電路設(shè)計(jì)、計(jì)算、仿真、調(diào)試等多個(gè)環(huán)節(jié)的綜合能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生用課程中所學(xué)的理論獨(dú)立地解決實(shí)際問題的能力。另外還培養(yǎng)學(xué)生用專業(yè)的、簡潔的文字,清晰的圖表來表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力。2設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計(jì)要求等）：（1）了解超聲波的特點(diǎn)；（2）掌握超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)、仿真與調(diào)試；（3）掌握方案設(shè)計(jì)與論證；（4）掌握用相關(guān)軟件進(jìn)行電路圖設(shè)計(jì)、仿真，以及對仿真結(jié)果的分析、總結(jié)；3設(shè)計(jì)工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)

3、計(jì)計(jì)算說明書(論文)、圖紙、實(shí)物樣品等：（1）提供核心器件的工作原理與應(yīng)用介紹；（2）提供用Protel99設(shè)計(jì)的電路原理圖，也可給出印刷板電路圖；（3）提供用Multisim、MaxPluss、Proteus等其他軟件對電路的仿真結(jié)果與分析；（4）提供符合規(guī)定要求的課程設(shè)計(jì)說明書；（5）提供參考文獻(xiàn)不少于三篇，且必須是相關(guān)的參考文獻(xiàn)； 課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書4主要參考文獻(xiàn)：（1） 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，1998；（2） 王遠(yuǎn).模擬電子技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001；（3） 陳汝全.電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003；（4） 畢滿清.電子

4、技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006；5設(shè)計(jì)成果形式及要求：（1）電路原理圖，仿真結(jié)果；（2）課程設(shè)計(jì)說明書；6工作計(jì)劃及進(jìn)度：2010年 12月26日12 月28日：分析課程設(shè)計(jì)任務(wù)書，查找資料，初步確定方案； 12月 29日12月30 日：論證、確定方案； 12 月31日2011年1月4 日：電路設(shè)計(jì)、計(jì)算、仿真，并完善設(shè)計(jì)與方案； 2011年1月5日1月6 日：整理資料，書寫課程設(shè)計(jì)說明書；1月 7日： 答辯，提交課程設(shè)計(jì)說明書。系主任審查意見： 簽字： 年 月 日目錄一緒論-1頁1.1課程設(shè)計(jì)的目的及意義-1頁 1.2 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)思路-3頁1.3 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)

5、及要求- 3頁二課程的方案設(shè)計(jì)與選取- 4頁2.1 課程的方案設(shè)計(jì)- 4頁2.2 課程的方案選取- 6頁三系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)- 6頁 3.1 觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路- 7頁 3.2發(fā)射脈沖產(chǎn)生電路- 8頁 3.3 換能器部分- 9頁四Protel 99 SE 簡介及原理圖繪制 4.1 Protel 99 SE 相關(guān)介紹及原理圖繪制-11頁五總結(jié)-12頁六參考文獻(xiàn)-14頁附錄一：超聲波發(fā)射電路仿真-15頁附錄二：超聲波發(fā)射電路原理圖-17頁緒論1.1 課程設(shè)計(jì)的目的及意義1.1.1 目的 科學(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為2020000Hz。當(dāng)聲波的振

6、動(dòng)頻率大于20KHz或小于20Hz時(shí)，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。通常用于醫(yī)學(xué)診斷的超聲波頻率為15兆赫茲。 理論研究表明,在振幅相同的條件下,一個(gè)物體振動(dòng)的能量與振動(dòng)頻率成正比,超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率很高,因而能量很大.在我國北方干燥的冬季,如果把超聲波通入水罐中,劇烈的振動(dòng)會(huì)使罐中的水破碎成許多小霧滴,再用小風(fēng)扇把霧滴吹入室內(nèi),就可以增加室內(nèi)空氣濕度.這就是超聲波加濕器的原理.如咽喉炎、氣管炎等疾病,很難利用血流使藥物到達(dá)患病的部位.利用加濕器的原理,把藥液霧化,讓病人吸入,能夠提高療效.利用超聲波巨大的能量還可以使人體內(nèi)的結(jié)石

7、做劇烈的受迫振動(dòng)而破碎，從而減緩病痛，達(dá)到治愈的目的。超聲波在醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用非常廣泛，像現(xiàn)在的彩超、B超、碎石（例如膽結(jié)石、腎結(jié)石、祛眼袋之類的）等。1.1.2 意義超聲效應(yīng)已廣泛用于實(shí)際，主要有如下幾方面： 超聲檢驗(yàn)超聲波的波長比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質(zhì)，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像技術(shù)。超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內(nèi)部形象的技術(shù) 。把從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)聲透鏡聚焦在不透明試樣上，從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息（如對聲波的反射、吸收和散射的能力），經(jīng)聲透鏡匯聚在壓電接收器上，所得電信號輸入放大器，利用掃描系統(tǒng)可把不透明試樣

8、的形象顯示在熒光屏上。上述裝置稱為超聲顯微鏡。超聲成像技術(shù)已在醫(yī)療檢查方面獲得普遍應(yīng)用，在微電子器件制造業(yè)中用來對大規(guī)模集成電路進(jìn)行檢查，在材料科學(xué)中用來顯示合金中不同組分的區(qū)域和晶粒間界等。超聲處理利用超聲的機(jī)械作用、空化作用、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，可進(jìn)行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化 、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)行生物學(xué)研究等，在工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個(gè)部門獲得了廣泛應(yīng)用。 基礎(chǔ)研究超聲波作用于介質(zhì)后，在介質(zhì)中產(chǎn)生聲弛豫過程，聲弛豫過程伴隨著能量在分子各自電度間的輸運(yùn)過程，并在宏觀上表現(xiàn)出對聲波的吸收（見聲波）。通過物質(zhì)對超聲的吸收規(guī)律可探索物質(zhì)的特性和結(jié)構(gòu)，這方面的研

9、究構(gòu)成了分子聲學(xué)這一聲學(xué)分支。普通聲波的波長遠(yuǎn)大于固體中的原子間距，在此條件下固體可當(dāng)作連續(xù)介質(zhì) 。 1.2 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)思路超聲換能器及其發(fā)射電路是超聲測距系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分, 它決定了一個(gè)系統(tǒng)所能達(dá)到的最終指標(biāo)，超聲換能器一旦選定, 其性能參數(shù)如機(jī)械共振頻率、聲波輻射等效電阻等也已確定發(fā)射電路沒汁的好壞將直接影響超聲波的發(fā)射效率。超聲檢測中常用的發(fā)射電路可以分為三類,即單脈沖發(fā)射電路, 方波調(diào)制的脈沖波發(fā)射電路和連續(xù)波發(fā)射電路，這三類電路各有其特點(diǎn),可根據(jù)應(yīng)用場合選用。我們采用555定時(shí)器配以少量的電阻、電容等元件設(shè)計(jì)了一種超聲波發(fā)射電路，它可以三類電路的方式工作。本電路具有通用

10、性、實(shí)用性、電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。1.3 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求（1）了解超聲波的特點(diǎn)；（2）掌握超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)、仿真與調(diào)試；（3）掌握方案設(shè)計(jì)與論證；（4）掌握用相關(guān)軟件進(jìn)行電路圖設(shè)計(jì)、仿真，以及對仿真結(jié)果的分析、總結(jié)；二、課程設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)與選取2.1 設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射電路之一，由F1F3三門振蕩器在F3的輸出為40kHZ方波，工作頻率主要由C1、R1和RP決定，用RP可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)頻率。 F3的輸出激勵(lì)換能器T40-16的一端和反向器F4，F(xiàn)4輸出激勵(lì)換能器T40-16的另一端，因此，加入F4使激勵(lì)電壓提高了一倍。電容C3、C2平衡F3和F4的輸出，使波形穩(wěn)定。電路中反向器F1F4

11、用CC4069六反向器中的四個(gè)反向器，剩余兩個(gè)不用（輸入端應(yīng)接地）。電源用9V疊層電池。測量F3輸出頻率應(yīng)為40kHZ±2kHZ，否則應(yīng)調(diào)節(jié)RP。發(fā)射超聲波信號大于8m。超聲波發(fā)射電路之二，電路中晶體管VT1、VT2組成強(qiáng)反饋穩(wěn)頻振蕩器，振蕩頻率等于超聲波換能器T40-16的共振頻率。T40-16是反饋耦合元件，對于電路來說又是輸出換能器。T40-16兩端的振蕩波形近似于方波，電壓振幅接近電源電壓。S是電源開關(guān)，按一下S，便能驅(qū)動(dòng)T40-16發(fā)射出一串40kHZ超聲波信號。電路工作電壓9V，工作電流約25mA。發(fā)射超聲波信號大于8m。電路不需調(diào)試即可工作。超聲波發(fā)射電路之三，發(fā)射電路

12、原理框圖如圖所示，由觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖控制TR1開關(guān)管的通斷，當(dāng)TR1導(dǎo)通時(shí)，發(fā)射脈沖產(chǎn)生電路工作，產(chǎn)生的發(fā)生脈沖加到換能器上使其發(fā)射超聲波；當(dāng)TR1截止時(shí)，換能器停止發(fā)射。 2.2 選取 鑒于第三電路易于調(diào)節(jié), 通過改變幾個(gè)電阻和電容的值即可使發(fā)射電路工作于不同的狀態(tài)本電路易于和不同的換能器進(jìn)行匹配, 可適用于不同的應(yīng)用場合。且具有成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn), 是一種非常實(shí)用且通用的電路。而且前兩個(gè)電路狀態(tài)過于理想，在電路的選取上使用第三電路。三、 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)3.1 觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路由兩片定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)。第一片555構(gòu)成一占空比可調(diào)的多諧振蕩器，用以產(chǎn)生主脈沖。第二

13、片555構(gòu)成一方波發(fā)生器，主空脈沖的周期決定了超聲波重復(fù)發(fā)射的周期。主控脈沖接于第二片555的4端（內(nèi)部復(fù)位端），這使得在主控脈沖的高電平時(shí)，方波發(fā)生器工作，產(chǎn)生方波脈沖：而主控脈沖為低電平時(shí)，方波發(fā)生器復(fù)位，其波形如圖3所示。主控脈沖的頻率為：f1=1.43/（RA+RB）C1 ,其高電平的寬度為：tPH =0.7R1C1。通過調(diào)節(jié)R2可以方便地改變tPH ，從而改變觸發(fā)脈沖的個(gè)數(shù)，進(jìn)而控制發(fā)射脈沖的個(gè)數(shù)。R和R的阻值相等，故第二級555構(gòu)成一方波發(fā)生器，其頻率為f2=1.43/（RA+RB）（C+C），為使發(fā)射效率高，可適當(dāng)?shù)剡x取R5R6C2的值，使f2 值與發(fā)射換能器的共振頻率相等，因?qū)?/p>

14、同一型號的不同換能器來說，其共振頻率略有差異，故電路中設(shè)置了一個(gè)可變電容器CP ，用以微調(diào)方波頻率，以獲得最高的發(fā)射頻率。當(dāng)tPH <T時(shí)，Q2 輸出單一脈沖，此時(shí)電路為脈沖發(fā)射形式，當(dāng)T<tPH<nT時(shí)，Q2 輸出n個(gè)脈沖，此時(shí)電路相當(dāng)于方波調(diào)制的脈沖發(fā)射形式；若將A點(diǎn)斷開且將其異接于電源端，則Q2 輸出一連續(xù)的方波信號，電路為連續(xù)波發(fā)射形式。 3.2 發(fā)射脈沖產(chǎn)生電路超聲換能器發(fā)射脈沖的形成原則上可以有兩種方案，一種為電容儲能方案，一種為電感儲能方案。本文采用一種電容儲能和電感儲能相結(jié)合的方式，它由開關(guān)管TR1、儲能電容C3,儲能電感L等組成。觸發(fā)到來之前，TR1截止，發(fā)

15、射電壓通過R8 向電容C3 充電；當(dāng)觸發(fā)脈沖到來時(shí)，TR1導(dǎo)通，C3 通過TR1向換能器放電。由于TR1 的導(dǎo)通電阻小C3 上充得的電壓幾乎全部加到換能器T上，使之獲得能量而產(chǎn)生超聲輻射。由于一般換能器處存在一個(gè)幾千PF的分布電容C0，使得C3 放電期間，C0也被充電，當(dāng)觸發(fā)脈沖后沿到來時(shí)，TR1截止，C0上被充得的電荷不會(huì)立即消失，而是經(jīng)T緩慢放電，因此使得換能器發(fā)射脈沖的后沿延長（如圖5所示）。為改善發(fā)射脈沖的后沿和提高發(fā)射脈沖的幅值，在T的兩端并聯(lián)了一電感L。在C3 放電期間，電感中也有電流流過相當(dāng)于電感儲能；當(dāng)TR1截止時(shí)，電感L中仍維持I0 的存在，故鉆L兩端將產(chǎn)生一個(gè)上下負(fù)的反電勢

16、，這加速了C0的放電速度，使發(fā)射脈沖的后沿變陡了，且發(fā)射脈沖的峰峰值增大了近一倍，有效地提高了發(fā)射效率。二極管D5D6的作用是在發(fā)射開關(guān)管TR1與接收放大器之間形成一個(gè)隔離級。3.3 換能器部分將非電能量轉(zhuǎn)換成電能量，不需要外電源，稱換能器，也稱有源傳感器 。換能器是超聲波設(shè)備的核心器件，其特性參數(shù)決定整個(gè)設(shè)備的性能。 現(xiàn)在用的超聲波換能器，除了磁致伸縮結(jié)構(gòu)以外就是常用的用前后蓋板夾緊壓電陶瓷的“朗之萬”換能器，超聲波就是通過換能器將高頻電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)。換能器的特性取決與選材和制作工藝，同樣尺寸外形的換能器的性能和使用壽命是千差萬別的。而在電路中暫用石英振蕩器（簡稱“晶振”）代替。四Pro

17、tel 99 SE 簡介及原理圖繪制4.1 Protel 99 SE 簡介及原理圖繪制本文采用的電路圖繪制軟件是Protel 99 SE。Protel 99 SE設(shè)計(jì)系統(tǒng)是一套建立在PC環(huán)境下的ED（Electronic Ddsign Automation）電路集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)。Protel 99 SE就是由早期Protel版本發(fā)展而來的，是基于Windows95/98/2000/XP環(huán)境的新一代電路原理圖輔助設(shè)計(jì)與繪制軟件，其功能模塊包括電路原理圖設(shè)計(jì)、印制電路電路板設(shè)計(jì)、無網(wǎng)格布線器、可編程邏輯器件設(shè)計(jì)、電路圖模擬/仿真等。它是集電路設(shè)計(jì)與開發(fā)環(huán)境于一體的軟件。Protel 99 SE的主要功

18、能模塊包括電路原理圖設(shè)計(jì)、PCB板設(shè)計(jì)和電路仿真器件設(shè)計(jì)，各模塊具有豐富的功能，可以實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)與分析的目的。原理圖設(shè)計(jì)（1）選取元器件:根據(jù)原理圖中所需選取合適的元器件。一般經(jīng)常用到的元器件在常用元件中都可以找到，但是有些元器件在里面是找不到的或者是找不到合適的，我們可以將不合適的元器件進(jìn)入Edit編輯，將其改動(dòng)為我們所需要的，沒有得就只有自己手動(dòng)制作元器件了，在原理圖設(shè)計(jì)當(dāng)中我就自己做了個(gè)繼電器。（2）布局: 將各元器件根據(jù)設(shè)計(jì)需要擺放在合理的位置，使原理圖在不影響工作的情況下看起來美觀。（3）布線：將元器件各管腳，根據(jù)電路所需連接起來。一般情況下可以用wire直接布線，它具有電器規(guī)則，有

19、些電路圖還用到總線bus和Netlablle，bus不具有電器規(guī)則，Netlablle具有電器規(guī)則。（4）封裝：屬性設(shè)置，既根據(jù)電路原理圖所需，選取合適的封裝。在這一部分我用了大量的時(shí)間，因?yàn)榉庋b如果有錯(cuò)誤，就直接會(huì)影響到后面PCB的生成。封裝庫中的封裝只是一部分，有些在里邊是根本找不到的，需要自制一個(gè)封裝，在這次制作當(dāng)中繼電器是這次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。在庫中找不到，就必須先測量其大小數(shù)值，再根據(jù)所得數(shù)值制作?？偨Y(jié)1、通過這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我們動(dòng)手、思考和解決問題的能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，我們通過這個(gè)方案包括設(shè)計(jì)了一套電路原理和PCB連接圖，和芯片上的選擇。這個(gè)方案總共使用了，NE555定時(shí)器各兩個(gè)

20、，2N2714一個(gè)，超聲波換能器一個(gè)，二極管若干，電容電感電阻若干。2、在設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常會(huì)遇到這樣那樣的情況，就是心里想這樣的接法可以行得通，但實(shí)際接上電路，總是實(shí)現(xiàn)不了，因此耗費(fèi)在這上面的時(shí)間有很多。譬如一些元器件在Multism中無法仿真，使用Multism時(shí)也會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)仿真錯(cuò)誤，仿真失敗的現(xiàn)象。每每出現(xiàn)這樣的情況，總是會(huì)花費(fèi)很多時(shí)間解決。3、我們做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對課本知識的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識太多，平時(shí)課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個(gè)元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計(jì)過程中，我們了解了很多元件的功能，并且對于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識。4、在制作原理圖時(shí)