采用直接时差法的无线超声波风速风向仪设计
图2中，驱动电路采用MOSFET搭建模拟开关电路，其门极的门限电压为3 V。由于MCU(选用TI公司的TMS320F2812)输出的控制信号驱动能力不足，故电路中将隔离后的控制信号通过驱动电路增强驱动能力后，再对MOSFET的导通与关断进行控制。电路中的Q1为高端MOSFET-P，控制高端100V(由5 V经DC-DC电源芯片升压获得)信号；Q2为低端MOSFET-N，控制低端-100V(由5 V经DC-DC电源芯片升压获得)信号。电路中，两个场效应管门极均连接了3个器件，分别为1个电阻、1个电容和1个稳压管，这3个器件构成了门极电平转换电路，可将控制信号转换为以MOS FET源极电平为参考的控制信号。两个MOSFET源极均接有1个680μF大容量电容，该电容作为模拟开关的输入电源滤波，起到稳定±100V电源工作及平衡电源功率的作用。电路中换能器前端连接有1个电感和2个快恢复二极管，电感的作用是对换能器进行阻抗匹配，使负载阻抗工作在纯电阻模式，提高能量转换效率；二极管的作用是利用其单向导电性对负载电流流向进行控制，以免发生能量回流，造成损耗的增大。
控制信号以及驱动信号的时序示意图如图2所示。由于超声波风速风向仪中的换能器需丁作于±100 V、频率200 kHz的方波驱动信号下，且单个换能器不能长时间连续工作以免发热量过大发生熔坏，故电路中控制信号“Conl_A”和“Conl_B”设定为每20 ms发出8个200kHz、占空比50％(不含死区时间)的同相位脉冲信号。为避免两个MOSFET同时导通造成±100V电源短路，再对两控制信号设定10％占空比的死区时间。
2．2 信号接收及处理电路
如图3所示，超声波信号的接收及处理电路由限幅电路、放大电路以及正弦脉冲转换电路构成，经该部分电路处理后的信号经隔离后进入MCU进行处理。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/177845.htm
由于采用的超声波换能器为发射和接收共用，故接收电路的输入不仅包含换能器的回波信号，还包含±100 V的驱动信号。由于接收信号中存在±100 V的驱动信号，需对接收信号进行限幅处理，避免高压信号对后级电路造成危害。限幅电路由1个10 kΩ电阻和2个反向并联的肖特基二极管(正向导通电压为0．4 V)串联而成，可将±100 V信号限制为±0．4 V；而超声波换能器回波信号峰峰值为100 mV左右，限幅电路不会对其造成影响。
放大电路选用2个2N3904三极管，二者连接构成沃尔曼电路，并采用共射极放大的方式进行连接，通过电阻R1形成电压并联深度负反馈，稳定电路工作状态。通过调节2个三极管的外围电路参数，可使二者工作在合适的Q点，并将换能器回波信号放大为峰峰值接近5 V的正弦波。此时由于放大电路为5 V供电，±0．4 V驱动信号不会放大至峰峰值5 V以上，故不会对后级电路造成影响。
正弦脉冲转换电路由1个兼容CMOS电平的与门、两个外围电阻以及1个外围电容构成。电阻R2和R3对+5 V电源进行分压，使输入的正弦波钳位在+5 V和Vr(为R3电阻的分压值)之间，经CMOS逻辑与门处理后生成占空比50％的方波。处理后的方波信号，不仅含有接收信号也含有被限幅驱动信号，通过MCU软件方法对其进行分离。
3 测试及应用对比
对采用模拟开关的超声波风速风向仪收发电路进行测试，并与传统的采用脉冲变压器的收发电路进行对比，其驱动信号与接收信号的时序图如图4所示。其中，图4(c)、图4(e)分别为图4(a)中驱动信号和接收信号的放大图；图4(d)、图4(f)分别为图4(b)中驱动信号和接收信号的放大图。
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