1、目錄一緒論-1頁1.1課程設計的目的及意義-1頁 1.2 超聲波發射電路的設計思路-3頁1.3 課程設計的任務及要求- 3頁二課程的方案設計與選取- 4頁2.1 課程的方案設計- 4頁2.2 課程的方案選取- 6頁三系統的硬件結構- 6頁 3.1 觸發脈沖產生電路- 7頁 3.2發射脈沖產生電路- 8頁 3.3 換能器部分- 9頁四Protel 99 SE 簡介及原理圖繪制 4.1 Protel 99 SE 相關介紹及原理圖繪制-11頁五總結-12頁六參考文獻-14頁附錄一：超聲波發射電路仿真-15頁附錄二：超聲波發射電路原理圖-17頁緒論1.1 課程設計的目的及意義1.1.1 目的 科學家們

2、將每秒鐘振動的次數稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們人類耳朵能聽到的聲波頻率為2020000Hz。當聲波的振動頻率大于20KHz或小于20Hz時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。通常用于醫學診斷的超聲波頻率為15兆赫茲。 理論研究表明,在振幅相同的條件下,一個物體振動的能量與振動頻率成正比,超聲波在介質中傳播時,介質質點振動的頻率很高,因而能量很大.在我國北方干燥的冬季,如果把超聲波通入水罐中,劇烈的振動會使罐中的水破碎成許多小霧滴,再用小風扇把霧滴吹入室內,就可以增加室內空氣濕度.這就是超聲波加濕器的原理.如咽喉炎、氣管炎等疾病,很難利用血流使藥物到

3、達患病的部位.利用加濕器的原理,把藥液霧化,讓病人吸入,能夠提高療效.利用超聲波巨大的能量還可以使人體內的結石做劇烈的受迫振動而破碎，從而減緩病痛，達到治愈的目的。超聲波在醫學方面應用非常廣泛，像現在的彩超、B超、碎石（例如膽結石、腎結石、祛眼袋之類的）等。1.1.2 意義超聲效應已廣泛用于實際，主要有如下幾方面： 超聲檢驗超聲波的波長比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像技術。超聲成像是利用超聲波呈現不透明物內部形象的技術 。把從換能器發出的超聲波經聲透鏡聚焦在不透明試樣上，從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息（如

4、對聲波的反射、吸收和散射的能力），經聲透鏡匯聚在壓電接收器上，所得電信號輸入放大器，利用掃描系統可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上。上述裝置稱為超聲顯微鏡。超聲成像技術已在醫療檢查方面獲得普遍應用，在微電子器件制造業中用來對大規模集成電路進行檢查，在材料科學中用來顯示合金中不同組分的區域和晶粒間界等。超聲處理利用超聲的機械作用、空化作用、熱效應和化學效應，可進行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化 、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進化學反應和進行生物學研究等，在工礦業、農業、醫療等各個部門獲得了廣泛應用。 基礎研究超聲波作用于介質后，在介質中產生聲弛豫過程，聲弛豫過程伴隨著能量在分子各自電度間

5、的輸運過程，并在宏觀上表現出對聲波的吸收（見聲波）。通過物質對超聲的吸收規律可探索物質的特性和結構，這方面的研究構成了分子聲學這一聲學分支。普通聲波的波長遠大于固體中的原子間距，在此條件下固體可當作連續介質 。 1.2 超聲波發射電路的設計思路超聲換能器及其發射電路是超聲測距系統中的關鍵組成部分, 它決定了一個系統所能達到的最終指標，超聲換能器一旦選定, 其性能參數如機械共振頻率、聲波輻射等效電阻等也已確定發射電路沒汁的好壞將直接影響超聲波的發射效率。超聲檢測中常用的發射電路可以分為三類,即單脈沖發射電路, 方波調制的脈沖波發射電路和連續波發射電路，這三類電路各有其特點,可根據應用場合選用。我

6、們采用555定時器配以少量的電阻、電容等元件設計了一種超聲波發射電路，它可以三類電路的方式工作。本電路具有通用性、實用性、電路結構簡單、成本低等優點。1.3 課程設計的任務及要求（1）了解超聲波的特點；（2）掌握超聲波發射電路的設計、仿真與調試；（3）掌握方案設計與論證；（4）掌握用相關軟件進行電路圖設計、仿真，以及對仿真結果的分析、總結；二、課程設計方案設計與選取2.1 設計超聲波發射電路之一，由F1F3三門振蕩器在F3的輸出為40kHZ方波，工作頻率主要由C1、R1和RP決定，用RP可調電阻來調節頻率。 F3的輸出激勵換能器T40-16的一端和反向器F4，F4輸出激勵換能器T40-16的另

7、一端，因此，加入F4使激勵電壓提高了一倍。電容C3、C2平衡F3和F4的輸出，使波形穩定。電路中反向器F1F4用CC4069六反向器中的四個反向器，剩余兩個不用（輸入端應接地）。電源用9V疊層電池。測量F3輸出頻率應為40kHZ±2kHZ，否則應調節RP。發射超聲波信號大于8m。超聲波發射電路之二，電路中晶體管VT1、VT2組成強反饋穩頻振蕩器，振蕩頻率等于超聲波換能器T40-16的共振頻率。T40-16是反饋耦合元件，對于電路來說又是輸出換能器。T40-16兩端的振蕩波形近似于方波，電壓振幅接近電源電壓。S是電源開關，按一下S，便能驅動T40-16發射出一串40kHZ超聲波信號。電

8、路工作電壓9V，工作電流約25mA。發射超聲波信號大于8m。電路不需調試即可工作。超聲波發射電路之三，發射電路原理框圖如圖所示，由觸發脈沖產生的電路產生觸發脈沖控制TR1開關管的通斷，當TR1導通時，發射脈沖產生電路工作，產生的發生脈沖加到換能器上使其發射超聲波；當TR1截止時，換能器停止發射。 2.2 選取 鑒于第三電路易于調節, 通過改變幾個電阻和電容的值即可使發射電路工作于不同的狀態本電路易于和不同的換能器進行匹配, 可適用于不同的應用場合。且具有成本低、可靠性高等優點, 是一種非常實用且通用的電路。而且前兩個電路狀態過于理想，在電路的選取上使用第三電路。三、 系統的硬件結構3.1 觸發

9、脈沖產生電路觸發脈沖產生電路由兩片定時器來實現。第一片555構成一占空比可調的多諧振蕩器，用以產生主脈沖。第二片555構成一方波發生器，主空脈沖的周期決定了超聲波重復發射的周期。主控脈沖接于第二片555的4端（內部復位端），這使得在主控脈沖的高電平時，方波發生器工作，產生方波脈沖：而主控脈沖為低電平時，方波發生器復位，其波形如圖3所示。主控脈沖的頻率為：f1=1.43/（RA+RB）C1 ,其高電平的寬度為：tPH =0.7R1C1。通過調節R2可以方便地改變tPH ，從而改變觸發脈沖的個數，進而控制發射脈沖的個數。R和R的阻值相等，故第二級555構成一方波發生器，其頻率為f2=1.43/（R

10、A+RB）（C+C），為使發射效率高，可適當地選取R5R6C2的值，使f2 值與發射換能器的共振頻率相等，因對同一型號的不同換能器來說，其共振頻率略有差異，故電路中設置了一個可變電容器CP ，用以微調方波頻率，以獲得最高的發射頻率。當tPH <T時，Q2 輸出單一脈沖，此時電路為脈沖發射形式，當T<tPH<nT時，Q2 輸出n個脈沖，此時電路相當于方波調制的脈沖發射形式；若將A點斷開且將其異接于電源端，則Q2 輸出一連續的方波信號，電路為連續波發射形式。 3.2 發射脈沖產生電路超聲換能器發射脈沖的形成原則上可以有兩種方案，一種為電容儲能方案，一種為電感儲能方案。本文采用一種

11、電容儲能和電感儲能相結合的方式，它由開關管TR1、儲能電容C3,儲能電感L等組成。觸發到來之前，TR1截止，發射電壓通過R8 向電容C3 充電；當觸發脈沖到來時，TR1導通，C3 通過TR1向換能器放電。由于TR1 的導通電阻小C3 上充得的電壓幾乎全部加到換能器T上，使之獲得能量而產生超聲輻射。由于一般換能器處存在一個幾千PF的分布電容C0，使得C3 放電期間，C0也被充電，當觸發脈沖后沿到來時，TR1截止，C0上被充得的電荷不會立即消失，而是經T緩慢放電，因此使得換能器發射脈沖的后沿延長（如圖5所示）。為改善發射脈沖的后沿和提高發射脈沖的幅值，在T的兩端并聯了一電感L。在C3 放電期間，電

12、感中也有電流流過相當于電感儲能；當TR1截止時，電感L中仍維持I0 的存在，故鉆L兩端將產生一個上下負的反電勢，這加速了C0的放電速度，使發射脈沖的后沿變陡了，且發射脈沖的峰峰值增大了近一倍，有效地提高了發射效率。二極管D5D6的作用是在發射開關管TR1與接收放大器之間形成一個隔離級。3.3 換能器部分將非電能量轉換成電能量，不需要外電源，稱換能器，也稱有源傳感器 。換能器是超聲波設備的核心器件，其特性參數決定整個設備的性能。 現在用的超聲波換能器，除了磁致伸縮結構以外就是常用的用前后蓋板夾緊壓電陶瓷的“朗之萬”換能器，超聲波就是通過換能器將高頻電能轉換為機械振動。換能器的特性取決與選材和制作

13、工藝，同樣尺寸外形的換能器的性能和使用壽命是千差萬別的。而在電路中暫用石英振蕩器（簡稱“晶振”）代替。四Protel 99 SE 簡介及原理圖繪制4.1 Protel 99 SE 簡介及原理圖繪制本文采用的電路圖繪制軟件是Protel 99 SE。Protel 99 SE設計系統是一套建立在PC環境下的ED（Electronic Ddsign Automation）電路集成設計系統。Protel 99 SE就是由早期Protel版本發展而來的，是基于Windows95/98/2000/XP環境的新一代電路原理圖輔助設計與繪制軟件，其功能模塊包括電路原理圖設計、印制電路電路板設計、無網格布線器、

14、可編程邏輯器件設計、電路圖模擬/仿真等。它是集電路設計與開發環境于一體的軟件。Protel 99 SE的主要功能模塊包括電路原理圖設計、PCB板設計和電路仿真器件設計，各模塊具有豐富的功能，可以實現電路設計與分析的目的。原理圖設計（1）選取元器件:根據原理圖中所需選取合適的元器件。一般經常用到的元器件在常用元件中都可以找到，但是有些元器件在里面是找不到的或者是找不到合適的，我們可以將不合適的元器件進入Edit編輯，將其改動為我們所需要的，沒有得就只有自己手動制作元器件了，在原理圖設計當中我就自己做了個繼電器。（2）布局: 將各元器件根據設計需要擺放在合理的位置，使原理圖在不影響工作的情況下看起

15、來美觀。（3）布線：將元器件各管腳，根據電路所需連接起來。一般情況下可以用wire直接布線，它具有電器規則，有些電路圖還用到總線bus和Netlablle，bus不具有電器規則，Netlablle具有電器規則。（4）封裝：屬性設置，既根據電路原理圖所需，選取合適的封裝。在這一部分我用了大量的時間，因為封裝如果有錯誤，就直接會影響到后面PCB的生成。封裝庫中的封裝只是一部分，有些在里邊是根本找不到的，需要自制一個封裝，在這次制作當中繼電器是這次設計的難點。在庫中找不到，就必須先測量其大小數值，再根據所得數值制作?？偨Y1、通過這次課程設計，加強了我們動手、思考和解決問題的能力。在整個設計過程中，我

16、們通過這個方案包括設計了一套電路原理和PCB連接圖，和芯片上的選擇。這個方案總共使用了，NE555定時器各兩個，2N2714一個，超聲波換能器一個，二極管若干，電容電感電阻若干。2、在設計過程中，經常會遇到這樣那樣的情況，就是心里想這樣的接法可以行得通，但實際接上電路，總是實現不了，因此耗費在這上面的時間有很多。譬如一些元器件在Multism中無法仿真，使用Multism時也會經常出現仿真錯誤，仿真失敗的現象。每每出現這樣的情況，總是會花費很多時間解決。3、我們做課程設計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學習并不能很好的理解和運用各個元件的功能，而且考試內容有限，

17、所以在這次課程設計過程中，我們了解了很多元件的功能，并且對于其在電路中的使用有了更多的認識。4、在制作原理圖時，我們發現細心耐心，恒心一定要有才能做好事情，首先是線的布局上既要美觀又要實用和走線簡單，兼顧到方方面面去考慮是很需要的，否則只是一紙空話。5、在畫好原理圖后的做原理圖時，由于項目組成員對單面板的不熟悉，導致布線后元件出現在另一邊，增加了布線難度，也產生很多不曾注意的問題，今后要牢記這個教訓，使以后布線更加順利。6、在實際的仿真連線中，因為是自己選擇相關器件，可能會出現仿真結果不完善的地方。同時自己在仿真過程中對電路原理圖有所修改，如因為沒有找到合適的二極管型號，在第二片555定時器的2、6端沒有像原理圖那樣加入二極管，致使仿真結果有所偏差。在最后的開關三極管選用中最初也沒有考慮到頻限的問題。7、此次課程設計，學到了很多課內學不到的東西，比如獨立思考解決問題，出現差錯的隨機應變，和與人合作共同提高，都受益非淺，今后的制作應該更輕松，自己也都能扛的