一種新型多探頭雙頻超聲波接收電路的設(shè)計(jì)方案

引言

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，超聲波探測(cè)技術(shù)在漁業(yè)、水下勘探、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其中，探魚器作為漁業(yè)領(lǐng)域的重要工具，通過超聲波探測(cè)原理，能夠顯著提高捕魚業(yè)的產(chǎn)量和效率。本文介紹了一種新型多探頭雙頻超聲波接收電路的設(shè)計(jì)方案，旨在提升水下探測(cè)的精度和效率，同時(shí)降低成本和硬件資源的消耗。

系統(tǒng)概述

本設(shè)計(jì)方案主要應(yīng)用于現(xiàn)代漁業(yè)的探魚器中，通過多探頭雙頻超聲波接收電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下魚類資源的多角度、多頻率探測(cè)。該接收電路主要由前級(jí)放大電路、開關(guān)切換電路、帶通濾波電路和后級(jí)放大電路四個(gè)關(guān)鍵部分組成，并由DSPIC單片機(jī)進(jìn)行精確控制。

主控芯片型號(hào)及作用

主控芯片型號(hào)：

本設(shè)計(jì)方案采用DSPIC33FJ128GP804單片機(jī)作為主控芯片。DSPIC系列單片機(jī)是Microchip公司推出的一款高性能數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）與微控制器（MCU）的結(jié)合體，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和靈活的編程能力，非常適合用于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)。

DSPIC33FJ128GP804的主要特點(diǎn)包括：

1. 高性能DSP內(nèi)核：支持高速數(shù)字信號(hào)處理，能夠高效處理超聲波接收信號(hào)中的復(fù)雜數(shù)據(jù)。

2. 高精度AD模塊：內(nèi)置高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），能夠準(zhǔn)確地將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，滿足高精度探測(cè)需求。

3. 豐富的外設(shè)接口：提供多個(gè)GPIO（通用輸入輸出）端口、UART（通用異步收發(fā)傳輸器）、SPI（串行外設(shè)接口）等，便于與其他硬件模塊進(jìn)行通信和控制。

4. 強(qiáng)大的編程能力：支持C語言、匯編語言等多種編程語言，便于開發(fā)者進(jìn)行高效、靈活的編程開發(fā)。

在主控電路中的作用：

1. 控制開關(guān)切換電路：DSPIC單片機(jī)通過控制引腳輸出高低電平信號(hào)，控制4066模擬開關(guān)的開合，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)超聲波探頭的分時(shí)切換接收。這種方式允許多個(gè)探頭共享一套后級(jí)放大電路，降低硬件成本，提高電路效率。

2. 數(shù)據(jù)處理與分析：接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)過前級(jí)放大、帶通濾波和后級(jí)放大后，由DSPIC單片機(jī)的AD模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過DSP內(nèi)核進(jìn)行進(jìn)一步處理和分析，包括濾波、增益調(diào)整、頻譜分析等，最終得到水下魚類的分布信息。

3. 系統(tǒng)通信與顯示：DSPIC單片機(jī)通過UART等接口與顯示模塊、通信模塊等外部設(shè)備進(jìn)行通信，將處理后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，或通過無線通信方式發(fā)送給遠(yuǎn)程終端。

接收電路設(shè)計(jì)方案

1. 前級(jí)放大電路

前級(jí)放大電路是接收電路的第一步，其作用是對(duì)微弱的超聲波信號(hào)進(jìn)行隔離和初步放大。設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)反向并聯(lián)的1N4148二極管作為隔離元件，保護(hù)接收電路免受發(fā)射時(shí)高壓脈沖的影響。同時(shí)，采用9013三極管構(gòu)建的共發(fā)射極放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步放大，通過負(fù)反饋電阻R3和R5穩(wěn)定BJT的偏置點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的增益。

2. 開關(guān)切換電路

開關(guān)切換電路由4066模擬開關(guān)組成，由DSPIC單片機(jī)引腳控制開關(guān)的開合。在發(fā)射電路發(fā)射超聲波脈沖后，電路進(jìn)入接收模式。芯片控制模擬開關(guān)選定將要接收的是多個(gè)探頭中的哪個(gè)，且接收的超聲波頻率為多少，然后開始接收。這種方式允許多個(gè)超聲波探頭共享一套后級(jí)放大電路，大大節(jié)約了電路成本。

3. 帶通濾波電路

帶通濾波電路是接收電路的關(guān)鍵部分，由兩級(jí)有源帶通濾波器組成，能濾除不需要的頻率成分，保留特定頻率范圍內(nèi)的超聲波信號(hào)。設(shè)計(jì)中，濾波器的中心頻率可以通過調(diào)整電阻和電容的值來設(shè)置。例如，當(dāng)R0=R1=10K，R2=87K，C1=C2=100pF時(shí)，中心頻率約為76.3KHz，帶寬為36.6KHz。

4. 后級(jí)放大電路

后級(jí)放大電路將經(jīng)過濾波的信號(hào)進(jìn)一步放大，以適應(yīng)DSPIC單片機(jī)的AD模塊要求。為了充分利用芯片AD的電壓范圍，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了以對(duì)數(shù)放大器和運(yùn)放組成的后級(jí)放大電路。當(dāng)輸入信號(hào)弱時(shí)，它相當(dāng)于一個(gè)線性放大器，增益較大；當(dāng)輸入信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，它變成對(duì)數(shù)放大器，增益隨輸入信號(hào)的增加而減小。這種方式保證了超聲波接收電路有很寬的動(dòng)態(tài)范圍。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)方案能夠成功控制多個(gè)雙頻超聲波探頭正常工作，實(shí)現(xiàn)了多角度、多頻率的水下探測(cè)。接收電路成本低、簡單高效，并具有良好的擴(kuò)展性，為多探頭多頻率的超聲波應(yīng)用提供了一種新的可行方案。

結(jié)論

本文介紹了一種新型多探頭雙頻超聲波接收電路的設(shè)計(jì)方案，該方案采用DSPIC33FJ128GP804單片機(jī)作為主控芯片，通過前級(jí)放大、開關(guān)切換、帶通濾波和后級(jí)放大等電路模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多探頭雙頻超聲波信號(hào)的高效接收和處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案具有成本低、簡單高效、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，為超聲波探測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路和方法。