1.引言

現代漁業主要利用探魚器來探測水下魚類資源的分布，提高捕魚業的產量。探魚器利用的就是超聲波探測的原理，由超聲波探頭根據需求發射出相應頻率的超聲波，超聲波在遇到水中不同障礙物后反射回來，被探頭接收。根據對反射數據的分析，最終得到該水域的信息。隨著探魚器的發展，為了探測更多更詳細的水域信息，大角度多頻率探測為了發展的趨勢。所以增加超聲波探測角度一般有兩種方式，單探頭的機械回掃探測和多個探頭探測。由于單探頭的機械回掃電路設計復雜，且探測間隔受到機械回掃速度的限制，所以一般采用多探頭的方式。傳統多探頭接收電路由多個獨立的單探頭接收電路組成，且只能接收一種頻率的超聲波，硬件體積龐大，成本高昂且效率低下。本文以三個雙頻探頭為例子，設計了一種新的多探頭雙頻超聲波接收電路。

2.整體電路概述

本設計采用了三個雙頻超聲波探頭分時切換接收的新方法，接收電路主要由前級放大電路，開關切換電路，帶通濾波電路和后級放大電路四個部分組成。信號經過獨立的前級放大電路初步放大信號后，由模擬開關組成的開關切換電路切換至所需的帶通濾波電路進行濾波放大，最后再經后級放大電路放大，轉化為DSPIC芯片的AD模塊適合的電壓范圍。

3.具體電路設計

3.1 前級放大電路

前級放大電路的功能是隔離和初步放大。由于超聲波探頭工作在收發一體的方式，所以接收電路首先要經過一個隔離電路。如圖1所示，我們采用兩個反向并聯的1N4148二極管D1、D2接地達到隔離目的。當發射的時候，高壓脈沖信號將直接通過二極管對地放電，二極管等效為短路，不會燒壞接收電路。當探頭接收的時候，微小的信號無法使二極管導通，相當與斷路，微小信號由后續接收電路放大接收。

放大部分采用9013三極管搭建的共發射極放大電路，R3、R5為負反饋電阻，起到穩定BJT的偏置點的作用。放大電路增益為：

令β=120,算得到gm約為0.03.此時根據公式1可計算信號增益Av約等于61.6.

3.2 開關切換電路

開關切換電路由4066模擬開關組成，由DSPIC芯片引腳控制開關的開合。在發射電路發射超聲波脈沖后，電路進入接收模式。

芯片控制模擬開關選定將要接收的是三個探頭中的哪個，且接收的超聲波頻率為多少，然后開始接收。

模擬開關切換接收這一創新方式，使得多個超聲波探頭共享一套后級放大電路，由于后級出放大電路的硬件成本較高，該方式大大節約了電路成本。路徑切換原理如圖2所示：

值得注意的是，模擬開關切換后需要一段時間電路才能重新穩定，所以在這段時間內不適合接收信號。根據實際測量，本接收電路在開關切換后需要10毫秒才能重新穩定。

3.3 帶通濾波電路

帶通濾波電路是由運放構成的有源帶通濾波器兩級級聯而成，單級且中心頻率為76KHz的電路及其響應曲線如圖3所示：

中心頻率0 f 為：

考慮到電阻和電容的取值不能是任意值，而應該是常用的值，所以設計出來的濾波器的中心頻率跟預期的中心頻率存在一定誤差。根據公式2計算，當R0=R1取10K,R2取87K,C1=C2取100p的時候，電壓最大增益為4.35,中心頻率約為76.3KHz,帶寬為36.6KHz.當R0=R1取3.3K,R2取38K,C1=C2取100p的時候，電壓最大增益為5.76,中心頻率約為201KHz,帶寬為83.8KHz.由于兩個中心頻率的絕對誤差均遠小于各自帶寬，所以認為上述電路參數取值是合理的。兩級級聯后中心頻率不變，電壓增益為單級的平方。

3.4 后級放大電路

由于超聲波接收信號的變化幅度很大，從幾個微伏到幾個豪伏，為了充分利用芯片AD的電壓范圍，創新設計了以對數放大器和運放組成的后級放大電路，如圖4所示。當輸入信號弱時，它相當于一個線性放大器，增益較大。當輸入信號較強時，它變成對數放大器，增益隨輸入信號的增加而減小。對數放大器保證了超聲波接收電路有很寬的動態范圍。經過AD8310對數放大器，原先的高頻信號轉變為低頻的原信號包絡。

經過對數放大器的信號輸入給同相輸入組態的運算放大器，進行最后信號幅度調整。改變反饋電阻的阻值，可以改變該放大電路的增益，具體要求是最終輸出到AD引腳的信號的最大幅度值應該略小于芯片AD的范圍。由于DSPIC芯片的AD范圍為0-3.3V,在這里我們調整反饋電阻，使最終信號的最大幅度約為3V.

4.電路驗證

電路的實測輸出波形如圖5所示，在電路接收到微弱的反射信號的時候，超聲波探頭產生幾個微伏的電壓，經本電路放大接收后，輸出電壓幅度約為3V,略小于3.3V的AD范圍，滿足預先的設計要求。

5.結束語

本方案中創新設計了一種多探頭雙頻超聲波接收電路，經實驗驗證，能夠成功控制三個雙頻超聲波探頭正常工作。該電路成本低，簡單高效，并具有良好的擴展性，為多探頭多頻率的超聲波應用提供了一種新的可行方案。