隨著我國汽車工業和高速公路事業的飛速發展，研製、開發基於高性價比的超聲波測距技術的車輛防撞系統具有重要的社會與經濟價值。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/197067.htm車輛防撞系統具有自動探測前方障礙物、自動減速或剎車的功能，是未來高級小汽車和載重車輛必備的安全行駛輔助裝置。日本、美國和歐洲等各大汽車公司都已投入了相當的人力、物力開發在高級汽車上使用的防撞與安全預警系統，包括毫米波雷達、CCD攝像機、GPS和高檔微機等。據海外媒體報導，戴姆勒－克萊斯勒公司日前成功開發出供商用車（尤指卡車）使用的電子剎車系統，它利用車載前視雷達感應器探測前方景物，由車載控制器處理這一感知信息而形成虛擬景象，由此來判斷當前路況是否需要啟動自動剎車裝置。這種新型剎車系統在未來的兩、三年內即可面市，預期價格為3745歐元[1]。顯然，就普通汽車而言，該自動電子剎車裝置太昂貴。
超聲測距傳感器價格低廉，其性能幾乎不受光線、粉塵、煙霧、電磁幹擾和有毒氣體的影響，而且使用方便。然而，常見的超聲測距儀的作用距離較短，一般均小於或等於10m，從而限制了它在汽車高速行駛時的使用性能。超聲測距儀的作用距離不僅僅依賴於高性能的超聲波探頭，而且與超聲波的發射與接收電路的機電能量轉換效率有關。本文主要研究一種高效的超聲換能器收發電路，以增大超聲測距儀的作用距離，使之能夠在未來的國產化汽車主動防撞系統中得到應用。
1 超聲測距原理
諧振頻率高於20kHz的聲波被稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強。利用超聲波的這種性能就可製成超聲傳感器，或稱為超聲換能器，它是一種既可以把電能轉化為聲能、又可以把聲能轉化為電能的器件或裝置。換能器在電脈衝激勵下可將電能轉換為機械能，向外發送超聲波；反之，當換能器處在接收狀態時，它可將聲能（機械能）轉換為電能。
最常用的超聲測距方法是回聲探測法。其工作原理是：使換能器向介質發射聲脈衝，聲波遇到被測物體（目標）後必有反射回來的聲波（回波）作用於換能器上。若已知介質的聲速為c，第一個回波到達的時刻與發射脈衝時刻的時間差為t，那麼即可按式s=ct/2計算換能器與目標之間的距離，如圖1所示。考慮到傳感器的成本與安裝的方便性，採用收發兼用型超聲波探頭，即實際距離d=s。
聲波的速度c與溫度T有關[2]。如果環境溫度變化顯著，則必須考慮溫度補償問題。空氣中聲速與溫度的關係可表示為：
2 驅動電路的設計
圖2所示的超聲頻驅動電源用於激勵超聲換能器使之向外發送超聲波，超聲頻電源與超聲換能器儀器構成超聲發生器。
2.1 場效應管功率放大電路的設計
在此採用在超聲波發生器上應用較多的乙類推挽放大電路。其特點是無激勵信號時，兩個功率管IRF120的靜態電流為零；而有激勵信號時，兩個功率管交替工作，各輸出半波信號，合起來形成一個完整的波形。
SN75732是雙通道與非門TTL/MOS專用接口器件，其中，管腳2是兩個與非門公用的使能輸入端（高電平有效），管腳1/7、管腳3/6分別是兩個與非門的輸入/輸出端；管腳4是數字地；管腳8接5V直流電源，管腳5接直流電源VDD。利用該接口電路就可以直接用TTL電平來驅動MOSFET功率管。只要適當選取電阻R1就可以確定MOSFET功率管IRF120的柵源電壓VGS，進而確定功率管導通時的漏極電流ID；R用於限制漏極電流ID的大小，避免功率管導通瞬間產生過大的電流衝擊。當選通信號為低電平時，SN75732的兩個與非門均輸出低電平，功率管IRF120截止，發射電路不工作，而繼電器J處於接通狀態（與SIG1和SIG2接觸）；當選通信號為高電平時，超聲頻脈衝信號通過與非門HC00的邏輯變換後，使SN75732的兩個與非門交替輸出高電平，驅動兩個功率管IRF120交替導通與截止（推挽放大），通過脈衝變壓器升壓輸出高振幅正弦波，換能器將獲得的能量以聲能形式輻射出去。此時，繼電器J處於常閉狀態（換能器接入驅動電路的輸出端）。
要使非線性失真不明顯，其功率最大，負載應當是固定不變的。因此變壓器的另一作用是進行耦合，將實際負載RL′變換成所期望的值RL，以實現阻抗匹配。如圖3所示，AB和BQ分別代表了ID和(VDD－VDSS)，因此△ABQ的面積就代表了工作在乙類的互補對稱電路輸出功率的大小。△ABQ的面積愈大，就表明輸出功率Po也愈大。IDm為流過功率管的最大電流，對應於圖中負載線AQ，其功率三角形面積最大，非線性失真不明顯。所以，最大功率的負載電阻應當是RL=(VDD-VDSS)/IDm。
場效應管IRF120採用電壓驅動方式，與負載電流和安全工作區域無關，電路設計較為簡單；對於開關速度來說，它同雙極型器件相比可大幅度提高開關速度，溫度影響也小；而且它僅受管子功耗的限制，無二次擊穿的影響，因而在此代替功率電晶體作功率放大器件。
2.2 變壓器的設計
脈衝變壓器是超聲換能器驅動電路中最重要的器件，它的用途是升高脈衝電壓信號，並使功率放大器的輸出阻抗與換能器的負載阻抗匹配。一般脈衝變壓器以變壓器的功率、原副邊電壓信號的幅值確定變壓器的尺寸和變比[3]；而超聲換能器驅動用變壓器則主要以功率和原副邊電感及阻抗匹配確定變壓器的尺寸和變比。
2.2.1 變壓器工作頻率及輸入電壓脈寬的確定
脈衝變壓器的工作頻率取決於超聲換能器的工作頻率。在此選用fr=30kHz的換能器,其所對應的諧振電路等效阻抗RL′=450Ω。則半個周期內的電壓脈寬為：
其中，T為脈衝變壓器的工作周期。D是設計電路時的一個重要參數，它對主開關元件、輸出變壓器和變換器效率等都有很大的影響。在此選D=0.9，則有Ton=15μs。
2.2.2 變壓器變比的確定及功率負荷的計算
由前面推導可知RL=(VDD-VDSS)/IDm時功放效率最大，取VDD=12V，考慮到車輛使用的蓄電池所能提供的最大電流有限，取IDm=5A，由功率管工作特性曲線可以查出VDSS=2V，得出RL=(12－2)/5=2Ω，所以變壓器變比為：
式中，Pout為換能器的工作功率；η為變壓器的效率，可取η=0.95；VAm為等效負載RL上的電壓幅度。將已知值代入(4)式得Pout≈24W。
２.２.３ 變壓器鐵心的選擇
鐵心是脈衝變壓器的重要組成部分。脈衝變壓器的體積、質量等主要指標都由鐵心來確定。常用的鐵心材料有電工鋼、軟磁合金、軟磁鐵氧體、非晶態合金等。其中鐵氧體鐵心工藝性好，價格便宜，而且電阻率很高，確保在窄脈衝情況下能得到高的有效脈衝磁導率，要比冷軋電工鋼高十倍以上。對於推挽式電路，鐵心尺寸的選擇可參考下式：
式中，S為磁芯的有效截面積；Q為鐵心的窗口截面積，只有各繞組截面積之和小於鐵心的窗口面積，才能使鐵心窗口繞得下全部繞組；Bm為鐵心最大工作磁通密度，在此選取材料為3E25的鐵心，由該材料的B-H特性曲線查出Bm=250mT；KT為鐵心的填充係數，對於鐵氧體鐵心來講，KT=1；Ku為鐵心窗口的利用係數，與繞組導線直徑及繞制工藝水平有關，一般取0.1～0.5；J為導線允許的電流密度，一般取為3～5A/mm2。
將已知數值代入式(5)，計算得SQ=1403.5mm2。根據參考文獻[4]，可選取Philips公司生產的E25/10/6型號的鐵心，其有效面積S=38.4mm2。
2.2.4 變壓器初、次級繞組匝數的計算
變壓器初級繞組的匝數N1由下式確定：
將已知量代入，得N1=10。於是，由變壓器的變比N可求出變壓器次級繞組的匝數，即：
N2=N1×N=10×15=150。
各繞組導線的直徑可由下式計算:
式中，Ii為流經繞組電流的有效值。最後校驗變壓器是否能繞下所要求的線圈匝數。
脈衝變壓器的很多參數是相互影響的，所以在製作變壓器時，要反覆調試，以達到最佳的阻抗匹配和高的效率。變壓器的輸出(即超聲換能器上所加的電壓幅值)影響著系統的測距範圍及精度，本系統中使用的變壓器副邊空載電壓可達300V。
3 接收電路的設計
由於此電路應用於汽車防撞系統中，一般車輛上只提供正電源，所以接收電路的設計採用單電源。它由前置放大電路、帶通濾波電路和後級放大電路組成。
3.1 前置放大電路
考慮到超聲換能器的輸出電阻比較大，因此前置放大器必須有足夠大的輸入阻抗。前置放大電路是一個由精密、高輸入阻抗儀表放大器AD623構成的差動放大器。由於採用了收發同體傳感器，因而收發信號之間會產生幹擾，較大的發送信號能量有可能直接進入接收電路，它要比回波大得多，因此前級放大器會飽和，電路工作不穩定。為此，接收信號放大器的輸入端要接入一對互為反向的二極體進行箝位，以保護後面的放大電路。
3.2 帶通濾波器
在此採用無限增益多路反饋型濾波電路，它是一個由賦以多路反饋的理論上具有無限增益的運算放大器構成的濾波電路。圖4所示是由單一運算放大器構成的無限增益多路反饋二階帶通濾波電路的基本結構。
濾波器參數為:
無限增益多路反饋型濾波電路由於沒有正反饋，故穩定性高。為計算方便，可先選定C1=C2=680pF，Ap=6，Q=3，由以上方程聯立得：R3=47kΩ，R1=47kΩ，R2=2kΩ。由於採用單電源供電，所以要在放大器正極抬高一個電平。在此用MC7805將電源電壓轉換成5V以提供偏置。濾波器的輸出再通過一級放大後接採集卡進行A/D採樣。
4 實驗結果與結論
對前面設計的電路進行了超聲測距實驗。此實驗應用NI公司的數據採集卡6024E採集數據。6024E是擁有模擬、數字、時鐘I/O口的高性能多功能板卡，採用的是PCI總線。最大採集速率為200kHz，使用DAQ-STC計數器晶片。包括三個定時器組，控制著模擬輸入、模擬輸出和通用的計數/定時功能。用於通用計數/定時功能的是兩個24位計數器[5]。利用時鐘1發出控制信號，時鐘0產生30kHz的脈衝，作為驅動電路的輸入信號。
發射的脈衝數應選擇合適，脈衝個數多時，發射換能器可以克服其振動慣量而獲得充分的振動，其它聲波模式影響較小，發射的超聲脈衝能量大；但此時測距的盲區也大（測距盲區指的是可以測量的最小距離），一般選擇由10～20個脈衝組成。
系統軟體採用LabView編程，圖5為相同環境中兩個電路的測量結果對比。
5(a)是以往電路在6米處的測量結果，幅值較小，測量過程中曾出現掉電現象，功率管發熱嚴重，這說明功率消耗比較大。5(b)是本電路的測量結果。可以看出，本電路的測量距離明顯提高，而且管子基本沒有發熱現象，電源保持穩定。可見，本電路的設計由於經過較嚴格的推導，器件選擇合理，各參數得到優化，改善了換能器與功放間的阻抗匹配，功放效率和機電轉換效率得到明顯提高。電路控制方便，性能表現良好，在距離9.5m處仍能得到較清晰的回波，使大範圍的超聲測距成為可能。