一種新型多探頭雙頻超聲波接收電路的設計方案

引言

隨著現代科技的快速發展，超聲波探測技術在漁業、水下勘探、醫學診斷等領域得到了廣泛應用。其中，探魚器作為漁業領域的重要工具，通過超聲波探測原理，能夠顯著提高捕魚業的產量和效率。本文介紹了一種新型多探頭雙頻超聲波接收電路的設計方案，旨在提升水下探測的精度和效率，同時降低成本和硬件資源的消耗。

系統概述

本設計方案主要應用于現代漁業的探魚器中，通過多探頭雙頻超聲波接收電路，實現對水下魚類資源的多角度、多頻率探測。該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關鍵部分組成，并由DSPIC單片機進行精確控制。

主控芯片型號及作用

主控芯片型號：

本設計方案采用DSPIC33FJ128GP804單片機作為主控芯片。DSPIC系列單片機是Microchip公司推出的一款高性能數字信號處理器（DSP）與微控制器（MCU）的結合體，具有強大的數據處理能力和靈活的編程能力，非常適合用于復雜的數字信號處理任務。

DSPIC33FJ128GP804的主要特點包括：

1. 高性能DSP內核：支持高速數字信號處理，能夠高效處理超聲波接收信號中的復雜數據。

2. 高精度AD模塊：內置高分辨率模數轉換器（ADC），能夠準確地將模擬信號轉換為數字信號，滿足高精度探測需求。

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

4. 強大的編程能力：支持C語言、匯編語言等多種編程語言，便于開發者進行高效、靈活的編程開發。

在主控電路中的作用：

1. 控制開關切換電路：DSPIC單片機通過控制引腳輸出高低電平信號，控制4066模擬開關的開合，實現對多個超聲波探頭的分時切換接收。這種方式允許多個探頭共享一套后級放大電路，降低硬件成本，提高電路效率。

2. 數據處理與分析：接收到的超聲波信號經過前級放大、帶通濾波和后級放大后，由DSPIC單片機的AD模塊進行模數轉換。轉換后的數字信號通過DSP內核進行進一步處理和分析，包括濾波、增益調整、頻譜分析等，最終得到水下魚類的分布信息。

3. 系統通信與顯示：DSPIC單片機通過UART等接口與顯示模塊、通信模塊等外部設備進行通信，將處理后的數據實時顯示在屏幕上，或通過無線通信方式發送給遠程終端。

接收電路設計方案

1. 前級放大電路

前級放大電路是接收電路的第一步，其作用是對微弱的超聲波信號進行隔離和初步放大。設計中采用兩個反向并聯的1N4148二極管作為隔離元件，保護接收電路免受發射時高壓脈沖的影響。同時，采用9013三極管構建的共發射極放大電路對信號進行初步放大，通過負反饋電阻R3和R5穩定BJT的偏置點，實現穩定的增益。

2. 開關切換電路

開關切換電路由4066模擬開關組成，由DSPIC單片機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多個探頭中的哪個，且接收的超聲波頻率為多少，然后開始接收。這種方式允許多個超聲波探頭共享一套后級放大電路，大大節約了電路成本。

3. 帶通濾波電路

帶通濾波電路是接收電路的關鍵部分，由兩級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的超聲波信號。設計中，濾波器的中心頻率可以通過調整電阻和電容的值來設置。例如，當R0=R1=10K，R2=87K，C1=C2=100pF時，中心頻率約為76.3KHz，帶寬為36.6KHz。

4. 后級放大電路

后級放大電路將經過濾波的信號進一步放大，以適應DSPIC單片機的AD模塊要求。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。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。這種方式保證了超聲波接收電路有很寬的動態范圍。

實驗結果與分析

經過實驗驗證，本設計方案能夠成功控制多個雙頻超聲波探頭正常工作，實現了多角度、多頻率的水下探測。接收電路成本低、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。

結論

本文介紹了一種新型多探頭雙頻超聲波接收電路的設計方案，該方案采用DSPIC33FJ128GP804單片機作為主控芯片，通過前級放大、開關切換、帶通濾波和后級放大等電路模塊，實現了對多探頭雙頻超聲波信號的高效接收和處理。實驗結果表明，該設計方案具有成本低、簡單高效、擴展性好等優點，為超聲波探測技術的發展提供了新的思路和方法。