風(fēng)作為氣象要素中最活躍的要素之一 ，其影響范圍涉及軍事 、航海航空 、工業(yè) 、氣象 、科學(xué)試驗(yàn)等方面，因此對(duì)于風(fēng)速和風(fēng)向的測(cè)量顯得尤為重要，其中超聲波傳感器在風(fēng)向、 風(fēng)速的測(cè)量中應(yīng)用十分廣 泛。超聲波探頭的前端電路是超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)顯示 ，前端電路直接影響性能的好壞 ，除了要求超聲 波傳感器性能優(yōu)良外， 與之匹配的前端電路設(shè)計(jì)也相當(dāng)重要。文中設(shè)計(jì)了一 種基于FPGA的超聲波傳感器前端處理電路，包括發(fā)射接收電路和信號(hào)調(diào)理電路。通過(guò)FPGA控制在壓電陶瓷片兩端加載超聲頻率的電脈沖信號(hào)，使壓電陶瓷片產(chǎn)生相同頻率的機(jī)械震蕩 ，從而在空氣中形成超聲波。反之 ，在接收到空氣中的超聲波以后 ，壓電陶瓷片會(huì)將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為交變電壓信號(hào)。 在經(jīng)過(guò)后續(xù)電路處理后，輸入到FPGA中進(jìn)行分析，最終得到風(fēng)速、風(fēng)向的信息 。

1 超聲波傳感器發(fā)射和接收電路

圖 1所示為超聲波傳感器的發(fā)射和接收電路 。超聲波傳感器的激勵(lì)信號(hào)是由產(chǎn)生的，為了防止后端的發(fā)射電路電壓 (+12V)燒壞引腳 ，加入了隔離電路。此外 ，考慮對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)． 采用MOSFET集成驅(qū)動(dòng)芯片。 選用TI公司的TPS28l1D芯片。既起到隔離作用又能驅(qū)動(dòng)MOSFET管，并且輸出信號(hào)總是有很快的轉(zhuǎn)換速度 。

當(dāng)TPS2811D芯片輸出高電平時(shí)，Q2導(dǎo)通 ，電源 、Ll和4形成通路 ，此時(shí) ，電源為L(zhǎng)1和充電。當(dāng)TPS2811D芯片輸出由高變低時(shí) ，O2斷開(kāi) ，而電感中的電流不能突變 ，并且會(huì)產(chǎn)生阻礙電流變小的自感電動(dòng)勢(shì)，L1、和D4形成通路，從而為電容繼續(xù)進(jìn)行充電，當(dāng)電容充滿時(shí)，電流為零 ，電容通過(guò)L1、D2和VR1開(kāi)始反向放電，此時(shí) VR1兩端會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓脈沖�？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)VR1的大小來(lái)調(diào)整傳感器Y1兩端的激勵(lì)電壓大小以產(chǎn)生不同頻率 的超聲波信號(hào) 。另外，場(chǎng)效應(yīng)管Q2相當(dāng)于一個(gè)容性負(fù)載 ，由于其PN結(jié)的作用產(chǎn)生寄生電容，導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)需要時(shí)間變長(zhǎng) ，因此設(shè)計(jì)了由PNP晶體管(Q1) 組成的快速放電電路，寄生電容通過(guò)，Q1快速放電，以提高關(guān)斷速度 。串接尺可以防止寄生電感的影響，但同時(shí)導(dǎo)致Q2開(kāi)關(guān)速度變慢，綜合考慮 ，選擇的阻值為50n。

相對(duì)于傳統(tǒng)的超聲波傳感器大多采用大功率的場(chǎng)效應(yīng)管和變壓器來(lái)產(chǎn)生高壓脈沖作為激勵(lì)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)傳感器的情況，整體電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度降低 ，電路的調(diào)試簡(jiǎn)單，系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性提高了。

圖l 超聲波傳感器的發(fā)射和接收電路

接收電路相對(duì)簡(jiǎn)單，此時(shí)超聲波傳感器將空氣中的超聲波轉(zhuǎn)化為交變電壓信號(hào)，后續(xù)電路對(duì)這個(gè)電壓信號(hào)進(jìn)行處理。二極管D3是防止作為接收電路時(shí)，信號(hào)影響驅(qū)動(dòng)電路 。

2超聲波傳感器信號(hào)調(diào)理電路

2．1  接收抗干擾限幅電路

超聲波傳感器接收到的噪聲信號(hào)的幅值很多都在1V以上，比有用的交變電壓信號(hào)幅值要大很多，所以應(yīng)在信號(hào)進(jìn)入后置電路前進(jìn)行限幅，如圖2所示，將兩個(gè)反相并聯(lián)的硅型二極管接到信號(hào)線與地線之間，其正向?qū)�通電壓�?0.7V，而我們所需要的有用交變信號(hào)幅值遠(yuǎn)小于O.7V，因此可使一部分噪聲信號(hào)過(guò)濾掉 。

圖 2 抗干擾限幅電路

經(jīng)過(guò)電壓跟隨器的模擬信號(hào)進(jìn)入第二級(jí)放大 ，第二級(jí)放大采用電壓負(fù)反饋反相放大，設(shè)計(jì)中放大倍數(shù)為30倍。選 取R為2kQVR2為反饋電阻，其大小可根據(jù)放大倍數(shù)與電阻R來(lái)計(jì)算 ，即

2．2 前置放大電路

超聲波傳感器接收到的有用信號(hào)非常微弱，因此需要將超聲波傳感器輸出的交變電信號(hào)進(jìn)行放大處理 。

圖2為采用MAX412芯片設(shè)計(jì)的運(yùn)放電路原理圖。第一級(jí)放大器作為電壓跟隨器，使用跟隨器既可以獲得較高的輸入阻抗。降低噪聲 ，又可以在被測(cè)信號(hào)源與數(shù)據(jù)采集電路之間起到隔離作用。為了對(duì)信號(hào)源呈現(xiàn)穩(wěn)定的負(fù)載，在電路的輸入端并聯(lián)了一個(gè)電阻 ，此時(shí)放大器的等效輸入電阻約等于風(fēng) 。加入電容G起到了交流耦合 ，防止 了輸入的模擬信號(hào)含有較高 的直流分量時(shí)導(dǎo)致放大器輸出飽和。電容和電阻成 實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)高通濾波器，其高通截止頻率可以通過(guò)公式(1)計(jì)算 ：

本設(shè)計(jì)中，取風(fēng)為10kn，C7為1 F，高通截止頻率則為16Hz。而對(duì)于本設(shè)計(jì) ，輸入模擬信號(hào) 的頻率范圍為200kHz， 因此符合設(shè)計(jì)要求。

在此得 ~R2=60kit，可變電阻VR3為平衡電阻 ，其值通過(guò)下式求解 ，

電路中對(duì)運(yùn)放進(jìn)行了幾點(diǎn)保 護(hù)。輸入端接入兩個(gè)二極管D5、D6和電阻R構(gòu)成雙向限幅電路來(lái)進(jìn)行輸入保護(hù)；為防止正負(fù)電源極性接反，利用二極管D7、D8的單向?qū)�通性能�?lái)保護(hù)；電容C9、C10、C11和 C12起到去耦作用 ，防止自激振蕩 ，其中c9、C1l采用 0.1 F的瓷片電容，Cl0、Cl2采用 4.7 F的鉭電容 ，且在電源引腳處就近接 地 。

2.3 帶通濾波電路

系統(tǒng)接收到的超聲波信號(hào)頻率是200kHz．因此應(yīng)將非200kHz頻率的無(wú)用信號(hào)過(guò)濾 。本設(shè)計(jì)選擇美信公司的有源濾波器MAX275。通過(guò)利用 MAX275內(nèi)部 的兩個(gè)二階濾波器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)四階的帶通濾波器對(duì)超聲波傳感器接收信號(hào)進(jìn)行濾波，如圖4所示 。

圖 4 帶通濾波 電路

某些電阻值可由設(shè)計(jì)人員自行確定 ，其他的則可以利用芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)的公式計(jì)算方法來(lái)確定阻值 ，最終所得各個(gè)電阻值如表1所示 。

表1 各個(gè)外接電阻值

2．4 AGC自動(dòng)增益控制放大電路

為了保證接收到的超聲波交變電壓信號(hào)幅度保持一個(gè)比較穩(wěn)定 、合理的范圍，使用了自動(dòng)增益控制放大電路。選用美國(guó)ANALOG公司的AD603芯片，且設(shè)定它的增益為一10～30dB，帶寬為90MHz，滿足由前級(jí)放大濾波后的超聲波交變電壓信號(hào)的放大要求。在使用AD603芯片前．需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪聲處理，并且可以起到隔離作用 ，電路圖如圖5所示。

圖 5 OPA642電壓跟隨器電路

如圖6所示為AD603自動(dòng)增益控制放大電路原理圖。原理是 ，晶體管Q4與電阻VR4構(gòu)成了一個(gè)檢波器，作用是檢測(cè)電路輸出信號(hào)幅度的變化。當(dāng)AD603輸出信號(hào)幅度發(fā)生變化時(shí)，晶體管Q3和晶體管Q4的兩個(gè)集電極電流之差就會(huì)隨著變化，從而使通過(guò)電容Car的電流也隨之變化。Car兩端 的電壓 (自動(dòng)增益控制電壓V_AGC)會(huì)隨AD603輸出 信號(hào)幅度的變化而變化。當(dāng)V_AGC上升時(shí)，引起增益增大 ，當(dāng)V_AGC下降時(shí) ，引起增益減小。 可見(jiàn)通過(guò)V_AGC的自動(dòng)變化就達(dá)到了自動(dòng)調(diào)整放大器增益的目的。經(jīng)仿真 ，當(dāng)VR4阻值為249n時(shí)，效果最佳。電容Car的值會(huì)影響AGC的時(shí)間常數(shù) ，此處取Q1F。

2．5 電壓比較電路

經(jīng)過(guò)前述相關(guān)處理后 ，超聲波電信號(hào)仍然是交變的電壓模擬信號(hào)，不能直接送人FPGA中進(jìn)行處理 。在本設(shè)計(jì)中，不需要將整個(gè)的交變電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的數(shù)字信號(hào)在FPGA中處理 ，因此可以采用電壓 比較 的方式將模擬信號(hào)裝換為數(shù)字信號(hào)。選用美信公司的MAX912比較器芯片，該比較器內(nèi)部具有兩組比較器且相互獨(dú)立，并分別可以進(jìn)行鎖存使能控制；另外 ，器件均能接受差動(dòng)輸入信號(hào)并具有互補(bǔ)性的兼容輸出圈。由于噪聲的影響 ，閾值不能選取理想的0V，在此經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后 ，選擇O.2V作為閾值電壓 ，電壓比較器電路如圖7所示，輸出端的電壓較小。可以直接與FPGA相接。

3 電路仿真

未進(jìn)行任何處理的超聲波交變電壓信號(hào)中含有很多的噪聲，無(wú) 法直接拿來(lái)使用 ，如圖8所示 。

超聲波交變電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)接收抗干擾 限幅電路、前置放大電路、帶通濾波電路、AGC自動(dòng)增益控制放大電路和電壓比較電路后，得到的信號(hào)如圖8所示 。由此可見(jiàn) 。在經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理 電路后 ，所接收的信號(hào)已經(jīng)變成可供FPGA直接使用的數(shù)字信號(hào) 。

4 結(jié)論

在利用超聲波傳感器進(jìn)行風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)量中，超聲波探頭的前端電路對(duì)系統(tǒng)性能的影響非常大。本文設(shè)計(jì)的前端電路有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，整體電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度較低。電路的調(diào)試簡(jiǎn)單，系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性很高。由仿真分析可知，超聲波前端發(fā)射和接收電路、信號(hào)處理電路符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期目的。