一种新型多探头双频超声波接收电路的设计方案

引言

随着现代科技的快速发展，超声波探测技术在渔业、水下勘探、医学诊断等领域得到了广泛应用。其中，探鱼器作为渔业领域的重要工具，通过超声波探测原理，能够显著提高捕鱼业的产量和效率。本文介绍了一种新型多探头双频超声波接收电路的设计方案，旨在提升水下探测的精度和效率，同时降低成本和硬件资源的消耗。

系统概述

本设计方案主要应用于现代渔业的探鱼器中，通过多探头双频超声波接收电路，实现对水下鱼类资源的多角度、多频率探测。该接收电路主要由前级放大电路、开关切换电路、带通滤波电路和后级放大电路四个关键部分组成，并由DSPIC单片机进行精确控制。

主控芯片型号及作用

主控芯片型号：

本设计方案采用DSPIC33FJ128GP804单片机作为主控芯片。DSPIC系列单片机是Microchip公司推出的一款高性能数字信号处理器（DSP）与微控制器（MCU）的结合体，具有强大的数据处理能力和灵活的编程能力，非常适合用于复杂的数字信号处理任务。

DSPIC33FJ128GP804的主要特点包括：

1. 高性能DSP内核：支持高速数字信号处理，能够高效处理超声波接收信号中的复杂数据。

2. 高精度AD模块：内置高分辨率模数转换器（ADC），能够准确地将模拟信号转换为数字信号，满足高精度探测需求。

3. 丰富的外设接口：提供多个GPIO（通用输入输出）端口、UART（通用异步收发传输器）、SPI（串行外设接口）等，便于与其他硬件模块进行通信和控制。

4. 强大的编程能力：支持C语言、汇编语言等多种编程语言，便于开发者进行高效、灵活的编程开发。

在主控电路中的作用：

1. 控制开关切换电路：DSPIC单片机通过控制引脚输出高低电平信号，控制4066模拟开关的开合，实现对多个超声波探头的分时切换接收。这种方式允许多个探头共享一套后级放大电路，降低硬件成本，提高电路效率。

2. 数据处理与分析：接收到的超声波信号经过前级放大、带通滤波和后级放大后，由DSPIC单片机的AD模块进行模数转换。转换后的数字信号通过DSP内核进行进一步处理和分析，包括滤波、增益调整、频谱分析等，最终得到水下鱼类的分布信息。

3. 系统通信与显示：DSPIC单片机通过UART等接口与显示模块、通信模块等外部设备进行通信，将处理后的数据实时显示在屏幕上，或通过无线通信方式发送给远程终端。

接收电路设计方案

1. 前级放大电路

前级放大电路是接收电路的第一步，其作用是对微弱的超声波信号进行隔离和初步放大。设计中采用两个反向并联的1N4148二极管作为隔离元件，保护接收电路免受发射时高压脉冲的影响。同时，采用9013三极管构建的共发射极放大电路对信号进行初步放大，通过负反馈电阻R3和R5稳定BJT的偏置点，实现稳定的增益。

2. 开关切换电路

开关切换电路由4066模拟开关组成，由DSPIC单片机引脚控制开关的开合。在发射电路发射超声波脉冲后，电路进入接收模式。芯片控制模拟开关选定将要接收的是多个探头中的哪个，且接收的超声波频率为多少，然后开始接收。这种方式允许多个超声波探头共享一套后级放大电路，大大节约了电路成本。

3. 带通滤波电路

带通滤波电路是接收电路的关键部分，由两级有源带通滤波器组成，能滤除不需要的频率成分，保留特定频率范围内的超声波信号。设计中，滤波器的中心频率可以通过调整电阻和电容的值来设置。例如，当R0=R1=10K，R2=87K，C1=C2=100pF时，中心频率约为76.3KHz，带宽为36.6KHz。

4. 后级放大电路

后级放大电路将经过滤波的信号进一步放大，以适应DSPIC单片机的AD模块要求。为了充分利用芯片AD的电压范围，创新设计了以对数放大器和运放组成的后级放大电路。当输入信号弱时，它相当于一个线性放大器，增益较大；当输入信号较强时，它变成对数放大器，增益随输入信号的增加而减小。这种方式保证了超声波接收电路有很宽的动态范围。

实验结果与分析

经过实验验证，本设计方案能够成功控制多个双频超声波探头正常工作，实现了多角度、多频率的水下探测。接收电路成本低、简单高效，并具有良好的扩展性，为多探头多频率的超声波应用提供了一种新的可行方案。

结论

本文介绍了一种新型多探头双频超声波接收电路的设计方案，该方案采用DSPIC33FJ128GP804单片机作为主控芯片，通过前级放大、开关切换、带通滤波和后级放大等电路模块，实现了对多探头双频超声波信号的高效接收和处理。实验结果表明，该设计方案具有成本低、简单高效、扩展性好等优点，为超声波探测技术的发展提供了新的思路和方法。