CN113777595B - 一种超声波接收电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波接收电路，包括：滤波放大电路、整流电路和波形变换电路；滤波放大电路，用于接受超声波回波信号，并将其进行滤波和放大生成滤波放大后的超声波回波信号；整流电路，用于对滤波放大后的超声波回波信号进行整流生成尖脉冲超声波回波信号；波形变换电路，用于将尖脉冲超声波回波信号变换成方脉冲信号，并将方脉冲信号传输到超声波采集装置。本发明通过利用滤波放大电路、整流电路和波形变换电路对超声波回波信号进行滤波、放大、整流后变换成方脉冲信号，并将其传输到超声波采集装置，可以将原超声波回波信号变换成便于被超声波采集装置识别捕捉的方脉冲信号，大大提高超声波收发系统的灵敏度。

Description

一种超声波接收电路

技术领域

本发明涉及超声波技术领域，特别是涉及一种超声波接收电路。

背景技术

在超声波收发系统中，超声波探头接收超声波(机械振动波)并转化为电信号是利用压电材料的压电效应实现的。电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会出现极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。目前市面上已有的超声波收发系统大多都是基于压电材料构造的，由于反射回波的能量非常小，转换后的交流电信号也会非常弱，通常在毫安级别，不利于后续处理设备判断是否有回波。因此，现有的超声波收发系统具有回波接受灵敏度低的缺点。且目前超声波接收电路过于冗余复杂，根据超声波接收电路研发的产品体型过大，重量过重，实际使用过程极为不便。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种超声波接收电路，以提高超声波收发系统的灵敏度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种超声波接收电路，包括：

滤波放大电路，用于接受超声波回波信号，并对所述超声波回波信号进行滤波和放大生成滤波放大后的超声波回波信号；

整流电路，与所述滤波放大电路连接，用于对所述滤波放大后的超声波回波信号进行整流生成尖脉冲超声波回波信号；

波形变换电路，分别与所述整流电路和超声波采集装置连接，用于将尖脉冲超声波回波信号变换成方脉冲信号，并将所述方脉冲信号传输到所述超声波采集装置。

优选的，所述滤波放大电路，包括：

一阶滤波放大电路，通过航空插头与超声波探头连接，用于接受超声波回波信号，并对所述超声波回波信号进行一阶滤波放大生成一阶滤波放大的超声波回波信号；

二阶滤波放大电路，与所述一阶滤波放大电路连接，用于对所述一阶滤波放大后的超声波回波信号进行二阶滤波放大生成二阶滤波放大的超声波回波信号；

三阶滤波放大电路，与所述二阶滤波放大电路连接，用于对所述二阶滤波放大后的超声波回波信号进行三阶滤波放大生成滤波放大后的超声波回波信号。

优选的，所述一阶滤波放大电路包括：第一电容、第五电容、第六电容、第一电阻、第二电阻、第一可调电阻和电流反馈放大器；

所述电流反馈放大器的第二引脚分别与所述第二电阻和所述第一可调电阻的一端连接，所述电流反馈放大器的第三引脚分别与所述第一电容和所述第一电阻的一端连接，所述电流反馈放大器的第四引脚与所述第五电容的一端连接，所述电流反馈放大器的第六引脚与所述第一可调电阻的另一端连接，所述电流反馈放大器的第七引脚与所述第六电容的一端连接；

所述第一电阻的另一端、所述第二电阻的另一端、所述第五电容的另一端和所述第六电容的另一端均接地；

所述第一电容的另一端与所述航空插头连接。

优选的，所述电流反馈放大器的型号为AD811。

优选的，所述整流电路包括：第四电容、第十一电容、第十二电容、第十三电容、第七电阻、第二可调电阻、第三可调电阻、第一二极管、第二二极管和反馈放大器；

所述反馈放大器的第二引脚分别与所述第七电阻的一端、所述第二可调电阻的一端和所述第一二极管的阳极连接，所述反馈放大器的第三引脚接地，所述反馈放大器的第四引脚与所述第十一电容的一端连接，所述反馈放大器的第六引脚分别与所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极连接，所述反馈放大器的第七引脚与所述第十二电容的一端连接；

所述第四电容的一端与滤波放大电路的输出端连接，所述第四电容的另一端与所述第七电阻的另一端连接；

所述第二二极管的阴极、所述第十三电容的一端和所述第三可调电阻的一端均与所述第二可调电阻的另一端连接；

所述第十一电容的另一端、所述第十二电容的另一端、所述第十三电容的一端和所述第三可调电阻的另一端均接地。

优选的，所述反馈放大器的型号为LM7171。

优选的，所述波形变换电路包括：单稳态触发器、第十四电容、第四可调电阻、第五可调电阻和稳压管；

所述单稳态触发器的第五引脚与所述整流电路的输出端连接，所述单稳态触发器的第三引脚、第四引脚和第七引脚均接地，所述单稳态触发器的第六引脚与所述第五可调电阻的一端连接，所述单稳态触发器的第九引脚与所述第四可调电阻的一端连接，所述单稳态触发器的第十引脚与所述第十四电容的一端连接，所述单稳态触发器的第十一引脚与所述第十四电容的另一端连接，所述单稳态触发器的第十四引脚与所述第四可调电阻的另一端连接；

所述第五可调电阻的另一端与所述稳压管的一端连接，所述稳压管的另一端接地。

优选的，所述单稳态触发器的型号为74121。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种超声波接收电路，由上述方案可知，本发明通过利用滤波放大电路、整流电路和波形变换电路对超声波回波信号进行滤波、放大、整流后变换成方脉冲信号，并将方脉冲信号传输到所述超声波采集装置，可以将原超声波回波信号变换成便于被超声波采集装置识别捕捉的方脉冲信号，大大提高超声波收发系统的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的实施例中的一种超声波接收电路的电路图。

图2为本发明提供的实施例中的一阶滤波放大电路图。

图3为本发明提供的实施例中的整流电路图。

图4为本发明提供的实施例中波形变换电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。

本发明的目的是提供一种超声波接收电路，以提高超声波收发系统的灵敏度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的实施例中的一种超声波接收电路的电路图，如图1所示，一种超声波接收电路，包括：滤波放大电路、整流电路和波形变换电路。滤波放大电路，用于接受超声波回波信号，并对所述超声波回波信号进行滤波和放大生成滤波放大后的超声波回波信号；整流电路，与所述滤波放大电路连接，用于对所述滤波放大后的超声波回波信号进行整流生成尖脉冲超声波回波信号；波形变换电路，分别与所述整流电路和超声波采集装置连接，用于将尖脉冲超声波回波信号变换成方脉冲信号，并将所述方脉冲信号传输到所述超声波采集装置。

本发明中的超声波接收电路主要由三部分组成：一是滤波放大电路，二是整流电路，三是波形变换电路。

1、滤波放大电路:将接收到的微弱回波信号进行多阶滤波放大，输出能被采集装置识别且没有杂波干扰的衰减震荡波型。其中，滤波放大电路如下：

航空插头receive与电容C1串联后与AD811芯片U6第3引脚相连，并同时通过电阻R1接地；AD811芯片U6第2引脚与电阻R2相连接地；AD811芯片U6第2引脚与可调电阻First相连再与电容C2连接后连至AD811芯片U7第3引脚；AD811芯片U6第6引脚与电容C2连接后连至AD811芯片U7第3引脚，并同时通过电阻R3接地；AD811芯片U6第4引脚通过电容C5与地相连；AD811芯片U6第7引脚通过电容C6与地相连。

AD811芯片U7第2引脚与电阻R4相连接地；AD811芯片U7第2引脚与可调电阻Second相连再与电容C3连接后连至AD811芯片U8第3引脚；AD811芯片U7第6引脚与电容C3连接后连至AD811芯片U8第3引脚，并同时通过电阻R5接地；AD811芯片U7第4号引脚通过电容C7与地相连；AD811芯片U7第7号引脚通过电容C8与地相连。

AD811芯片U8第2引脚与电阻R6相连接地；AD811芯片U8第2引脚与可调电阻Third相连后与第6引脚与电容C4、电阻R7连接后连至LM7171芯片第2引脚；AD811芯片U8第4引脚通过电容C9与地相连；AD811芯片U8第7引脚通过电容C10与地相连。

2、整流电路：将负电压消除，并将输入信号调整为尖脉冲，改变滑动变阻器的值以调整输出幅值。其中，整流电路如下：

LM7171芯片U9第2引脚与二极管D1正极相连后再与二极管D2正极相连，并同时通过可调电阻RP7171与74121芯片U10第5引脚相连；LM7171芯片U9第6引脚与二极管D2正极相连后，并同时通过电容C13，可调电阻RP与74121芯片U10第5引脚相连；LM7171芯片U9第4引脚电容C11相连接地；LM7171芯片U9第7引脚电容C12相连后接地。

3、波形变换电路:将整流后的信号充当触发脉冲，利用多谐振荡器，产生一定脉宽的标准方脉冲，便于被采集装置识别捕捉。其中，波形变换电路如下：

74121芯片U10第3、4、7号引脚相连后接地；74121芯片U10第10引脚与电容C14相连后与第11引脚相连；74121芯片U10第14引脚通过可调电阻RP6与第9引脚相连；74121芯片U10第6引脚与可调电阻RP3V3相连。

下面结合具体的实施例对本发明的超声波接收电路进行进一步说明：

本发明中的滤波放大电路，包括：一阶滤波放大电路、二阶滤波放大电路和三阶滤波放大电路。

一阶滤波放大电路，通过航空插头与超声波探头连接，用于接受超声波回波信号，并对所述超声波回波信号进行一阶滤波放大生成一阶滤波放大的超声波回波信号；二阶滤波放大电路，与所述一阶滤波放大电路连接，用于对所述一阶滤波放大后的超声波回波信号进行二阶滤波放大生成二阶滤波放大的超声波回波信号；三阶滤波放大电路，与所述二阶滤波放大电路连接，用于对所述二阶滤波放大后的超声波回波信号进行三阶滤波放大生成滤波放大后的超声波回波信号。

在本发明中，超声波回波信号经一阶滤波放大电路处理后，可以将没有滤掉的极微弱的干扰信号被放大，这类干扰信号可被二阶和三阶滤波电路发现并消除。本发明采用三个滤波放大电路交叉排列，可以将超声波回波信号放大到2—3V，同时滤掉干扰信号，使干扰信号不再影响后续信号处理。

图2为本发明实施例中的一阶滤波放大电路图。如图2所示，所述一阶滤波放大电路包括：第一电容C1、第五电容C5、第六电容C6、第一电阻R1、第二电阻R2、第一可调电阻First和电流反馈放大器；

所述电流反馈放大器的第二引脚分别与所述第二电阻R2和所述第一可调电阻First的一端连接，所述电流反馈放大器的第三引脚分别与所述第一电容C1和所述第一电阻R1的一端连接，所述电流反馈放大器的第四引脚与所述第五电容C5的一端连接，所述电流反馈放大器的第六引脚与所述第一可调电阻First的另一端连接，所述电流反馈放大器的第七引脚与所述第六电容C6的一端连接；所述第一电阻R1的另一端、所述第二电阻R2的另一端、所述第五电容C5的另一端和所述第六电容C6的另一端均接地；所述第一电容C1的另一端与所述航空插头连接。本发明中的电流反馈放大器的型号为AD811。其中，AD811芯片的第四引脚和第七引脚用于与电源模块连接供电。

在本发明实施例中，第一电容C1和第一电阻R1构成高通滤波电路。AD811芯片U6、第二电阻R2、第五电容C5、第六电容C6、第一可调电阻First构成增益放大电路。本发明通过上述的高通滤波电路和增益放大电路对超声波信号进行降噪和放大，可以突出超声波信号中的特征波形。本发明中的一阶滤波放大电路原理如下：

航空插头receive连接超声波探头接收超声波回波信号，超声回波信号首先进入电容C1、电阻R1组成的高通滤波电路进行滤波，去除信号中的低频噪声信号干扰，之后进入AD811芯片U6进行增益放大，R2电阻用来调节AD811芯片的放大增益，可调电阻First用来调节AD811芯片的放大带宽，调整过的信号从AD811芯片U6的第6引脚输出给下一阶滤波放大电路。本发明中的电容C6和C5起稳压作用。

需要说明的是，本发明中的二阶滤波放大电路和三阶滤波放大电路与本发明中的一阶滤波放大电路的结构和原理均是相同的，故不再对其进行赘述。

图3为本发明实施例中的整流电路图。如图3所示，所述整流电路包括：第四电容C4、第十一电容C11、第十二电容C12、第十三电容C13、第七电阻R7、第二可调电阻RP7171、第三可调电阻RP-output、第一二极管D1、第二二极管D2和反馈放大器；

所述反馈放大器的第二引脚分别与所述第七电阻R7的一端、所述第二可调电阻RP7171的一端和所述第一二极管D1的阳极连接，所述反馈放大器的第三引脚接地，所述反馈放大器的第四引脚与所述第十一电容C11的一端连接，所述反馈放大器的第六引脚分别与所述第一二极管D1的阴极和所述第二二极管D2的阳极连接，所述反馈放大器的第七引脚与所述第十二电容C12的一端连接；所述第四电容C4的一端与滤波放大电路的输出端连接，所述第四电容C4的另一端与所述第七电阻R7的另一端连接；所述第二二极管D2的阴极、所述第十三电容C13的一端和所述第三可调电阻RP-output的一端均与所述第二可调电阻RP7171的另一端连接；所述第十一电容C11的另一端、所述第十二电容C12的另一端、所述第十三电容C13的一端和所述第三可调电阻RP-output的另一端均接地。在本发明中，反馈放大器的型号为LM7171。

下面结合本发明中的图3对本发明整流电路原理进行说明：

电容C4、电阻R7、LM7171芯片U9、电容C11、电容C12、可调电阻RP7171、电容C13、可调电阻RP-output构成半波整流电路，电容C4与电阻R7串联目的是衰减低频信号，相当于进一步去除低频信号干扰，之后进入反馈放大器LM7171芯片第2引脚，在输入信号为正时，D1导通，D2关断，电路等效为电压跟随器，输出等于输入；在输入信号为负时，D1关断，D2导通，电路等效反相器，将信号倒向输出，并将电压在0v以下的信号去除，只保留正电压信号，便于后续处理，电阻RP7171用来调节LM7171的增益、电阻C13与可调电阻RP-output并联使低频信号通过较困难，而高频信号较容易的通过，进一步滤除信号中的低频噪声。

本发明可通过利用LM7171与外围电路中的可调电阻器实现对放大信号的进一步调整。经过LM7171后会将0V以下的负电压去除，通过调整RP4来改变其增益，RP5用于限流。此过程的目的是调整幅值至合适状态，使接收信号达到波形变换的触发要求。本发明选用的电压反馈放大器的共模拒绝比的最低要求为80dB，输出电流的最大值为100mA。且D1和D2优选为整流二极管，型号为1N4148。

图4为本发明提供的实施例中波形变换电路图。如图4所示，在本发明实施例中，所述波形变换电路包括：单稳态触发器、第十四电容C14、第四可调电阻RP6、第五可调电阻RP3V3和稳压管D3；

所述单稳态触发器的第五引脚与所述整流电路的输出端连接，所述单稳态触发器的第三引脚、第四引脚和第七引脚均接地，所述单稳态触发器的第六引脚与所述第五可调电阻RP3V3的一端连接，所述单稳态触发器的第九引脚与所述第四可调电阻RP6的一端连接，所述单稳态触发器的第十引脚与所述第十四电容C14的一端连接，所述单稳态触发器的第十一引脚与所述第十四电容C14的另一端连接，所述单稳态触发器的第十四引脚与所述第四可调电阻RP6的另一端连接；所述第五可调电阻RP3V3的另一端与所述稳压管D3的一端连接，所述稳压管D3的另一端接地。

下面结合本发明中的图4对本发明波形变换电路原理进行说明：

74121芯片U10、电容C10、可调电阻RP6、可调电阻3v3、稳压管D3构成单稳态触发电路。经整流电路处理后的信号进入74121芯片第5引脚，当74121芯片检测到输入信号有上升沿时，会产生触发信号，输出一个标准方波脉冲信号便于后续处理，信号的宽度有RP6和电容C14决定(可通过调节Rp6的阻值使74121输出信号脉宽＝0.7RC)，从74121芯片的第6引脚输出脉冲信号，经电阻RP3v3限幅后将电压限制在3.3v左右后输出，稳压管D3起到稳压作用。进一步的，本发明的波形变换电路也具有滤波作用，因为74121输入上升沿电平达到3v左右才可触发，经过之前的滤波和增益放大，只有特征信号(有用的信号)的电压能达到这个等级，而干扰信号的电压达不到上述等级要求。

本发明的波形变换电路包括振荡器输出与限幅两个部分。整流后的尖脉冲超声波回波信号接74121芯片的输入端，当检测到上升沿，74121芯片立刻输出一个方脉冲信号，便于后续处理。本发明可通过改变滑动变阻器RP6与C14的值来调整脉冲宽度，使信号能够被稳定捕捉又不改变下一级回波信号的正常触发。RP3v3，D3用于限幅。本发明可调节RP3v3的值改变输出信号的幅值，确保不会因幅值过高而对采集设备造成损坏。本发明的单稳态触发器型号优选74121，其传播延迟时间80ns，工作温度0—70℃，低电平输出电流16mA，供电电压4.75V—5.25V。需要说明的是，本发明的R1的阻值为330欧姆，R2的阻值68欧姆，R7的阻值330欧姆。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种超声波接收电路，由上述方案可知，本发明通过利用滤波放大电路、整流电路和波形变换电路对超声波回波信号进行滤波、放大、整流后变换成方脉冲信号，并将方脉冲信号传输到所述超声波采集装置，可以将原超声波回波信号变换成便于被超声波采集装置识别捕捉的方脉冲信号，大大提高超声波收发系统的灵敏度。且电路结构简单，具有尺寸小且重量低的优点，实现了接收电路应用过程的小型化和轻量化。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种超声波接收电路，其特征在于，包括：

滤波放大电路，用于接受超声波回波信号，并对所述超声波回波信号进行滤波和放大生成滤波放大后的超声波回波信号；

整流电路，与所述滤波放大电路连接，用于对所述滤波放大后的超声波回波信号进行整流生成尖脉冲超声波回波信号；

波形变换电路，分别与所述整流电路和超声波采集装置连接，用于将尖脉冲超声波回波信号变换成方脉冲信号，并将所述方脉冲信号传输到所述超声波采集装置；

所述整流电路包括：第四电容、第十一电容、第十二电容、第十三电容、第七电阻、第二可调电阻、第三可调电阻、第一二极管、第二二极管和反馈放大器；

所述反馈放大器的第二引脚分别与所述第七电阻的一端、所述第二可调电阻的一端和所述第一二极管的阳极连接，所述反馈放大器的第三引脚接地，所述反馈放大器的第四引脚与所述第十一电容的一端连接，所述反馈放大器的第六引脚分别与所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极连接，所述反馈放大器的第七引脚与所述第十二电容的一端连接；

所述第四电容的一端与滤波放大电路的输出端连接，所述第四电容的另一端与所述第七电阻的另一端连接；

所述第二二极管的阴极、所述第十三电容的一端和所述第三可调电阻的一端均与所述第二可调电阻的另一端连接；

所述第十一电容的另一端、所述第十二电容的另一端、所述第十三电容的一端和所述第三可调电阻的另一端均接地。

2.根据权利要求1所述的一种超声波接收电路，其特征在于，所述滤波放大电路，包括：

一阶滤波放大电路，通过航空插头与超声波探头连接，用于接受超声波回波信号，并对所述超声波回波信号进行一阶滤波放大生成一阶滤波放大的超声波回波信号；

二阶滤波放大电路，与所述一阶滤波放大电路连接，用于对所述一阶滤波放大后的超声波回波信号进行二阶滤波放大生成二阶滤波放大的超声波回波信号；

三阶滤波放大电路，与所述二阶滤波放大电路连接，用于对所述二阶滤波放大后的超声波回波信号进行三阶滤波放大生成滤波放大后的超声波回波信号。

3.根据权利要求2所述的一种超声波接收电路，其特征在于，所述一阶滤波放大电路包括：第一电容、第五电容、第六电容、第一电阻、第二电阻、第一可调电阻和电流反馈放大器；

所述电流反馈放大器的第二引脚分别与所述第二电阻和所述第一可调电阻的一端连接，所述电流反馈放大器的第三引脚分别与所述第一电容和所述第一电阻的一端连接，所述电流反馈放大器的第四引脚与所述第五电容的一端连接，所述电流反馈放大器的第六引脚与所述第一可调电阻的另一端连接，所述电流反馈放大器的第七引脚与所述第六电容的一端连接；

所述第一电阻的另一端、所述第二电阻的另一端、所述第五电容的另一端和所述第六电容的另一端均接地；

所述第一电容的另一端与所述航空插头连接。

4.根据权利要求3所述的一种超声波接收电路，其特征在于，所述电流反馈放大器的型号为AD811。

5.根据权利要求1所述的一种超声波接收电路，其特征在于，所述反馈放大器的型号为LM7171。

6.根据权利要求1所述的一种超声波接收电路，其特征在于，所述波形变换电路包括：单稳态触发器、第十四电容、第四可调电阻、第五可调电阻和稳压管；

所述单稳态触发器的第五引脚与所述整流电路的输出端连接，所述单稳态触发器的第三引脚、第四引脚和第七引脚均接地，所述单稳态触发器的第六引脚与所述第五可调电阻的一端连接，所述单稳态触发器的第九引脚与所述第四可调电阻的一端连接，所述单稳态触发器的第十引脚与所述第十四电容的一端连接，所述单稳态触发器的第十一引脚与所述第十四电容的另一端连接，所述单稳态触发器的第十四引脚与所述第四可调电阻的另一端连接；

所述第五可调电阻的另一端与所述稳压管的一端连接，所述稳压管的另一端接地。

7.根据权利要求6所述的一种超声波接收电路，其特征在于，所述单稳态触发器的型号为74121。