超聲波的應用領域非常廣闊，比如軍事上的聲納技術，工業上的無損探傷、測距、測厚，生物醫學上的診斷和手術，農業上的超聲育種、超聲培苗、超聲催產等。

　　在超聲波應用領域中，超聲波發射電路" title="發射電路">發射電路是系統中的關鍵部件。隨著電子技術的發展和測量系統等在性能和精度方面的要求不斷提高，檢測儀器向高集成度、高靈敏度、低功耗及模塊化方向發展。其中，超聲發射電路是影響其性能的關鍵技術。超聲發射電路的主要功能是用來產生不同形式的超聲波，以滿足實際需要。目前，超聲波發射電路設計方法眾多，其供電直流電壓一般較高，以產生幾十到幾百伏的超聲脈沖激發電信號。利用低的直流電壓產生高的電壓激發脈沖，不僅可以提高檢測靈敏度，增加檢測有效范圍，提高檢測信號的抗干擾能力，同時可以使得發射電路的體積減小，成本降低，便于儀器小型化。

　　本文通過對現有超聲波檢測發射電路的研究的基礎上，設計了一種簡單、可靠、實用的發射電路。該電路以5V低壓電源供電，RLC串聯諧振產生高壓脈沖" title="高壓脈沖">高壓脈沖信號，滿足電路便攜和安全性要求，改善了檢測裝置的靈敏度和抗干擾能力，取得了良好的效果。

2、超聲波檢測發射電路基本結構

　　檢測電路的基本結構如圖1所示，主要由控制信號、隔離環節、驅動電路、RLC電路和直流高壓等部分組成。控制信號實現脈沖超聲波發射控制的功能。隔離電路用來防止發射電路可能對其它電路造成電磁干擾，防止其它電路被燒壞。脈沖信號通過功率絕緣柵場效應管" title="場效應管">場效應管的高速關斷" title="關斷">關斷來產生，驅動功率絕緣柵場效應管相當于驅動帶容性負載的網絡，在高頻工作時電子開關的電氣特性對系統的性能有很大影響，絕緣柵場效應管電容的充、放電造成的損耗十分顯著，為提高脈沖幅值需增強絕緣柵場效應管的開關特性，需要合理的驅動電路，常用的場效應管驅動電路有CMOS緩沖器并聯驅動、場效應管對管驅動和雙極性三極管功率驅動3種形式[1]。RLC電路通過諧振產生高頻信號，通過匹配網絡來調諧使電路工作在換能器的諧振頻率。直流高壓電源由直流逆變器或其它電源模塊來實現。

　　一般的直流高壓脈沖發射電路工作過程，其電路如圖2所示。當控制電平V為低電平，開關管Q關斷時，電容C充電，高壓電源通過漏極電阻R1對電容C充電，由于充電過程在短時間內完成，故R1、C不可取值過大，且C耐高壓。當控制電平V為高電平時導通" title="導通">導通，電容C通過R2和D2放電，在探頭上產生負脈沖電壓，激勵產生超聲信號[1-3]。

3、基于低壓電源的RLC串聯諧振超聲波發射電路設計

　　高壓窄帶脈沖的產生有兩種方案：第一種是用預先充電到高壓的電容迅速向換能器放電產生；另一種是由儲能" title="儲能">儲能電感瞬時放電產生。測試表明，要使裝置中換能器發射超聲波，需要在其兩端加上百伏的瞬時高壓脈沖。第一種方案中，需要外加幾百伏的直流高壓電源。而第二種方案是利用儲能電感瞬時放電產生瞬時高壓脈沖，只需要直流低壓供電就能達到要求?；诖讼敕?，我們選用儲能電感瞬時放電產生瞬時高壓，R1用電感L取代，電源換為5V低壓電源。其諧振電路如圖3所示。

　　此電路以功率開關管Q為開關元件，電感L儲能形成觸發脈沖，不需要提供直流高壓，經過光電偶合器作為隔離器，來減少電磁干擾，防止燒壞其它電路。當輸入到Q的脈沖為正時，Q導通，Q相當于一個小電阻，與電阻R1、電感L串聯，和低壓電源一起構成回路，L中的電流快速上升進行儲能。當輸入到Q的脈沖為負時，Q的柵極置低，Q迅速關斷，L，C， R2組成諧振電路快速放電，在電阻R2上形成高壓脈沖，可達到百伏電壓，如圖4所示，D1，D2起單向開關作用，匹配網絡由可調電阻和電感并聯實現，通過調節匹配網絡中的可調電阻來改變脈沖的幅度，調諧匹配電感使其電路工作在諧振頻率上。經過調諧匹配后測得加在探頭上的高壓窄帶脈沖如圖5所示

4、等效模型分析

　　場效應管的導通，關斷對應于發射電路的充電和放電狀態，使發射電路重復交替工作在這兩種模式。

　　充電狀態原理分析：控制信號為高電平，開關管導通時，將Q視為理想開關，其導通電阻R0 ，低壓電源V1與L、R1、Q構成回路，L電阻為RL，且流過電感L中的電流可以近似由下式表示：

　　此時電感L上的儲能與換路時的電流平方成正比。

　　放電狀態原理分析：控制信號為低電平，開關管關斷時，L、C、R2組成串聯諧振電路，RLC零輸入響應, 等效電路如圖6所示，初始狀態如(2)，且電流不發生躍變，據圖6得到方程（3）。

　　式（3）以為未知量的RLC串聯電路放電的微分方程，特征方程是

　　從電流表達式可以看出，在整個過程中，波形將呈現衰減振蕩的狀態。根據（6）式可以得出：即為電流的極值點。綜合上述分析要使電路產生高頻尖脈沖在電路參數選擇上，要合理選擇參數，晶體管的開啟和響應時間要短，阻尼比盡可能小，衰減因子要大，振蕩頻率要高。當頻率匹配時探頭工作在最佳狀態[4-6]。

5、總結

　　超聲檢測發射電路以5V低壓電源供電。RLC串聯諧振，電感儲能產生高頻觸發脈沖，電路不需要高壓直流電源供電，就能獲得理想的觸發信號。并闡述了電路參數對脈沖信號的影響。所設計的電路簡單、安全、實用，對檢測裝置的靈敏度和抗干擾能力有所改善。