Мостовий генератор для УЗВ-п'єзовипромінювача

В останні роки все частіше доводиться зіштовхуватися з ультразвуком - звуковими коливаннями, що мають частоту більшу, ніж здатна почути людина. У медицині ультразвук використовують для дослідження внутрішніх органів (УЗВ), у побуті він працює в системах дистанційного керування телевізорами, допомагає вирішувати багато завдань у науці й на виробництві. Цікаве застосування ультразвуку знайшлося й у системах охорони приміщень і інших замкнутих просторів.

Все різноманіття генераторів, призначених для живлення ультразвукових {УЗ) випромінювачів, можна розділити по схемному рішенню на дві основні групи - із зовнішнім частотозадаюим контуром і резонансні, що працюють на частоті власного резонансу п'єзоелектричного випромінювача.

Для живлення випромінювачів, що не мають чітко вираженого резонансу на частоті випромінювання, найбільш раціональні генератори першої групи, Більшість же п'єзоелектричних випромінювачів має різко виражений резонанс струму на робочій частоті. Відхилення частоти напруги живлення навіть на частки відсотка від резонансної приводить до різкого зниження випромінюваної акустичної енергії. Стабілізація частоти цих генераторів призводить до істотного їхнього ускладнення й подорожчання. Положення ускладнює й той факт, що резонансна частота п'єзоелектричного випромінювача має деяку температурну залежність.

Генератори другої групи - резонансні - працюють завжди на частоті резонансу п'єзовипромінювача, навіть при її зміні від коливань температури. Якщо в якому-небудь каналі УЗ зв'язку як випромінювача, так і приймача застосувати однакові п'єзорехонатори, температурна нестабільність практично не позначиться на коефіцієнті передачі каналу внаслідок погодженого зрушення частоти резонансу.

Більшість серійних УЗ п'єзовипромінювачів вимагають досить великої напруги живлення для забезпечення оптимального рівня потужності випромінювання. Тому при живленні генератора від низьковольтного джерела вихідної потужності іноді може не вистачити. Один з виходів з такого затруднення - застосування мостового підсилювача потужності в генераторі.

У генераторах першої групи реалізація мостового вихідного ступеня труднощів не представляють. З резонансним же генератором справа є складнішою. Оскільки для його збудження необхідно створити позитивний ЗЗ по струму, у контурі п'єзовипромінювача, що буде одночасно відігравати роль резонатора, необхідно включити датчик струму. Зняття сигналу ЗЗ із цього датчика - теж завдання непросте, тому що на виводах резонатора, підключеного до мосту, присутня протифазна напруга великої амплітуди.

Всі ці складності дозволені в оригінальному варіанті генератора, що сполучає мостове включення п'єзорезонатора зі збудженням на його власній резонансній частоті (рис.1.19). Ультразвуковий випромінювач BF1 включений між виходами попарно-паралельно з'єднаних інверторів DD1.1, DD1.2 і DD1,3, DD1.4, що утворять мостовий вихідний підсилювач. Сигнали на виході кожної пари інверторів (виводи 6, 8 і 4,10) перебувають у протифазі, що дозволяє забезпечити амплітудне значення напруги на випромінювачі практично вдвічі більше, ніж напруга живлення. Паралельне включення інверторів підвищує навантажувальну здатність підсилювача, При необхідності їхнє число в кожному плечі може бути збільшити.

Рисунок 1.19 - Мостовий генератор для УЗВ-п'єзовипромінювача

Оскільки робочу частоту розглянутого генератора визначає власна частота резонансу струму випромінювача, у контур випромінювача включені датчики струму - резистори R3 і R4. Для виділення сигналу з датчиків струму від високоамплітудної вихідної напруги мостового підсилювача служать прецизійні резистивні дільники R1, R2 і R5, R6. Опір резисторів визначають рівняння R2=R1+R3 і R5=R6+R4. Якщо виключити навантаження, то й постійна напруга, і змінна між точками А и Б буде дорівнює нулю. З урахуванням падіння напруги на датчиках струму при резонансі напруга між точками А и Б буде пропорційно струму через навантаження.

Напруга U№ подана на вхід диференціального підсилювача змінної напруги, що зібраний на ОП DA1. Рівень вихідної напруги підсилювача відповідає сталій роботі інверторів структури КМОП. Одночасно диференціальний підсилювач придушує незначну синфазну складову напруги U"., що з'являється через неминучі відхилення опору резисторів прецизійного дільника від розрахункового й можливої неідентичності значень вихідної напруги інверторів мосту. Так як коефіцієнт передачі ОП DA1 по постійній напрузі в розглянутому включенні дорівнює одиниці, напруга, що знімається з дільника R8R9 і подається на неінвертуючий вхід ОП через резистор R7, визначає рівень вихідної напруги.

Резистор R10 визначає струм, споживаний програмувальним ОП DA1, і, як наслідок, швидкість наростання вихідної напруги. Цей резистор вибраний таким, щоб при будь-якому значенні напруги живлення в заданому інтервалі й мінімальному споживаному струмі швидкість наростання вихідної напруги не була нижче необхідною. Ємність конденсаторів С1 і С2 має оптимум для кожної конкретної частоти генерації, тому може знадобитися їхній підбір. Збільшення ємності понад оптимальну призводить до деякого зниження частоти генерації щодо резонансної, а зменшення підвищує схильність до збудження генератора на одному з більш високочастотних резонансів п'єзовипромінювача. Підбирати потрібно обидва конденсатори одночасно.

Теоретично конденсатори С1 і С2 по ємності й резистори R7 і R11 по опору повинні бути строго однаковими, тому що від цього залежить ступінь придушення синфазної складової сигналу диференціальним підсилювачем. На практиці, однак, цілком припустима точність добірки в межах 5%, але у випадку нестабільної роботи генератора її необхідно збільшити.

Імпульси, що знімаються з виходу ОП, мають трохи затягнуті фронт і спад. Подача такого сигналу на вхід мосту призводить до помітного підвищення вхідного струму інверторів мосту в моменти їхнього перемикання. Буферний інвертор DD1.5 формує на виході імпульси з більш крутими фронтом і спадом. Це дозволяє підвищити ККД генератора приблизно на 20%.

Як випромінювач в описуваному пристрої використаний серійний ультразвуковий п'єзоелектричний мікрофон УМ-1 із частотою резонансу в інтервалі 36.46 кГц. Працездатність і стабільність частоти генератора зберігаються при напрузі живлення в межах 5.15 В. Споживаний струм не перевищує 5 мА.

Резистори R1, R2, R5, R6 можна підібрати зі звичайних МЛТ-0,125 номіналом 20 кОм за допомогою цифрового вольтметра, наприклад, ВР-11А, і джерела стабільного струму. Їхній опір від зазначеного значення можуть відрізнятися на 20%, однак співвідношення значень опору, зазначене вище, повинне бути витримане з точністю не більше 0,25%, При великій різниці не виключені фазові збої й навіть зриви генерації.

Описаний генератор може бути використаний у системах сигналізації й дистанційного керування, У випадку, коли потрібен режим стробування генератора зовнішнім сигналом, замість інвертора DD1.5 застосовують елемент 2І-НІ мікросхеми К561ЛА7. На другий вхід елемента подають стробуючі імпульси одиничного рівня. Входи невикористовуваних інверторів необхідно з'єднати з мінусовим проведенням джерела живлення.

Застосування стабілізованого джерела живлення генератора принципово не обов'язково, якщо немає високих вимог до стабільності рівня вихідної акустичної потужності.