一种低电压驱动的超声波信号转换电路

技术领域

本发明属于超声波测流技术领域具体涉及一种低电压驱动的超声波信号转换电路。

背景技术

常见的超声波信号驱动电路以3.3v低电平为主，用于各类超声波水表上，同时也有以12v高电压的超声波信号驱动，用于插入式超声波流量计产品。其中，3.3v电平驱动芯片以芯片为主，无法做到可调；高电压的超声波信号驱动，驱动电源必须12v，功耗高，同样也是无法做到可调。因此，有必要发明一种低电压驱动的可调电压的超声波信号驱动电路。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种低电压驱动的超声波信号转换电路。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种低电压驱动的超声波信号转换电路，包括：超声波信号产生模块、升压电路模块、超声波信号转换模块和回波信号接收模块，其中，

所述超声波信号产生模块用于产生第一超声波信号；

所述升压电路模块用于对输入的驱动电压信号进行升压处理，得到原始信号；

所述超声波信号转换模块用于将所述第一超声波信号作为调制信号，对所述原始信号进行转换生成第二超声波信号；

所述回波信号接收模块用于接收超声波回波信号；

其中，所述第二超声波信号的幅值大于所述第一超声波信号的幅值。

在本发明的一个实施例中，所述第一超声波信号的幅值为3.3V。

在本发明的一个实施例中，所述升压电路模块包括第一芯片、第一二极管、第一电感、第一电容、第四电容、第十六电容、第十八电容、第十九电容、第二十电容、第二十一电容、第二十五电容、第二十七电容、第二十八电容、第八电阻、第九电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第二十电阻和第二十一电阻，其中，

所述第十六电容的上极板输入驱动电压信号，下极板连接保护接地端；所述第十一电阻、所述第十五电阻和所述第二十电阻串联，所述第十一电阻的第一端输入驱动电压信号，所述第二十电阻的第二端连接接地端；

所述第一电感的第一端输入驱动电压信号，且连接所述第一芯片的第十管脚，第二端分别连接所述第一芯片的第八管脚和所述第一二极管的正极；所述第十八电容连接在所述第一二极管的负极和保护接地端之间；

所述第十四电阻连接在所述第一二极管的负极和所述第一芯片的第六管脚之间；所述第九电阻和所述第八电阻串接，所述第九电阻的第一端连接所述第一二极管的负极，所述第八电阻的第二端连接保护接地端；所述第十九电容的上极板连接所述第一二极管的负极，下极板连接保护保护接地端，所述第十九电容的上极板输出原始信号；

所述第二十一电阻和所述第一电容均连接在所述第一芯片的第一管脚和接地端之间；所述第一芯片的第二管脚连接在所述第十五电阻和所述第二十电阻之间；所述第十七电阻和所述第二十五电容均连接在所述第一芯片的第三管脚和接地端之间；所述第十六电阻和所述第二十一电容均连接在所述第一芯片的第四管脚和接地端之间；所述第二十七电容连接在所述第一芯片的第五管脚和接地端之间；

所述第二十电容连接在所述第一芯片的第六管脚和接地端之间；所述第十八电阻连接在所述第一芯片的第七管脚和接地端之间；所述第二十八电容连接在所述第一芯片的第九管脚和接地端之间；所述第十二电阻连接在所述第一芯片的第十一管脚和接地端之间；

所述第一芯片的第十二管脚连接在所述第九电阻和所述第八电阻之间；所述第一芯片的第十三管脚输入电源使能信号；所述第十三电阻连接在所述第一芯片的第十四管脚和接地端之间；

所述第一芯片的第十五管脚分别连接在所述第十一电阻和所述第十五电阻之间，以及所述第四电容的上极板，所述第四电容的下极板链接接地端；所述第一芯片的第十六管脚连接接地端，第十七管脚连接保护接地端。

在本发明的一个实施例中，所述超声波信号转换模块包括第一高速开关芯片和第二高速开关芯片，其中，

所述第一高速开关芯片的使能管脚输入所述第一超声波信号，第一地址选择管脚输入外部第一控制信号；

所述第二高速开关芯片的使能管脚输入所述第一超声波信号，第一地址选择管脚输入外部第二控制信号；

所述第一高速开关芯片和所述第二高速开关芯片的开关一端对应的管脚输入所述原始信号，另一端作为输出端输出所述第二超声波信号；

其中，所述外部第一控制信号和所述外部第二控制信号为高低电平相对的一对数字信号。

在本发明的一个实施例中，所述回波信号接收模块包括第三高速开关芯片，其中，

所述第三高速开关芯片的使能管脚输入所述驱动电压信号；

所述第三高速开关芯片的第一地址选择管脚输入所述外部第一控制信号，第二地址选择管脚输入所述外部第二控制信号；

所述第三高速开关芯片根据所述外部第一控制信号和所述外部第二控制信号选择信号接收通道，以接收所述超声波回波信号。

在本发明的一个实施例中，所述第一高速开关芯片、所述第二高速开关芯片和所述第三高速开关芯片为TMUX7309F或MUX509。

在本发明的一个实施例中，所述低电压驱动的超声波信号转换电路还包括多通道模拟开关芯片，所述多通道模拟开关芯片与所述超声波信号转换模块连接，用于将所述第二超声波信号扩展为多通道输出。

在本发明的一个实施例中，所述多通道模拟开关芯片为TMUX7348F或MUX507。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的低电压驱动的超声波信号转换电路，采用3.3v超声波信号调制芯片进行信号的发射及接收，将3.3v超声波发射信号进行放大，提高了超声波的发射功率，同时对返回的超声波信号进行3.3v的稳压，确保接收芯片的稳定工作。本发明的电路结构简单，容易集成，可以实现全电平范围内的超声波信号驱动。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种低电压驱动的超声波信号转换电路的结构框图；

图2是本发明实施例提供的一种升压电路模块的电路图；

图3是本发明实施例提供的一种超声波信号转换模块和回波信号接收模块的电路图；

图4是本发明实施例提供的一种多通道模拟开关芯片的电路图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种低电压驱动的超声波信号转换电路进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种低电压驱动的超声波信号转换电路的结构框图，如图所示，本实施例的低电压驱动的超声波信号转换电路，包括：超声波信号产生模块1、升压电路模块2、超声波信号转换模块3和回波信号接收模块4。

其中，超声波信号产生模块1用于产生第一超声波信号；升压电路模块2用于对输入的驱动电压信号进行升压处理，得到原始信号；超声波信号转换模块3用于将第一超声波信号作为调制信号，对原始信号进行转换生成第二超声波信号；回波信号接收模块4用于接收超声波回波信号；其中，第二超声波信号的幅值大于第一超声波信号的幅值。

在一个可选地实施方式中，第一超声波信号的幅值为3.3V，第二超声波信号的幅值为36V。

可选地，超声波信号产生模块1为GP22超声波信号驱动芯片。在本实施例中，信号解析和调制均由GP22超声波信号驱动芯片完成，回波信号接收模块4将接收的超声波回波信号发送至GP22超声波信号驱动芯片进行信号解析。

请结合参见图2，图2是本发明实施例提供的一种升压电路模块的电路图，如图所示，在一个可选的实施方式中，升压电路模块2包括第一芯片U1、第一二极管D1、第一电感L1、第一电容C1、第四电容C4、第十六电容C16、第十八电容C18、第十九电容C19、第二十电容C20、第二十一电容C21、第二十五电容C25、第二十七电容C27、第二十八电容C28、第八电阻R8、第九电阻R9、第十一电阻R11、第十二电阻R12、

第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第二十电阻R20和第二十一电阻R21。

其中，第十六电容C16的上极板输入驱动电压信号，下极板连接保护接地端；第十一电阻R11、第十五电阻R15和第二十电阻R20串联，第十一电阻R11的第一端输入驱动电压信号，第二十电阻R20的第二端连接接地端。第一电感L1的第一端输入驱动电压信号，且连接第一芯片U1的第十管脚，第二端分别连接第一芯片U1的第八管脚和第一二极管D1的正极；第十八电容C18连接在第一二极管D1的负极和保护接地端之间。

第十四电阻R14连接在第一二极管D1的负极和第一芯片U1的第六管脚之间；第九电阻R9和第八电阻R8串接，第九电阻R9的第一端连接第一二极管D1的负极，第八电阻R8的第二端连接保护接地端；第十九电容C19的上极板连接第一二极管D1的负极，下极板连接保护保护接地端，第十九电容C19的上极板输出原始信号。第二十一电阻R21和第一电容C1均连接在第一芯片U1的第一管脚和接地端之间；第一芯片U1的第二管脚连接在第十五电阻R15和第二十电阻R20之间；第十七电阻R17和第二十五电容C25均连接在第一芯片U1的第三管脚和接地端之间；第十六电阻R16和第二十一电容C21均连接在第一芯片U1的第四管脚和接地端之间；第二十七电容C27连接在第一芯片U1的第五管脚和接地端之间。

第二十电容C20连接在第一芯片U1的第六管脚和接地端之间；第十八电阻R18连接在第一芯片U1的第七管脚和接地端之间；第二十八电容C28连接在第一芯片U1的第九管脚和接地端之间；第十二电阻R12连接在第一芯片U1的第十一管脚和接地端之间。

第一芯片U1的第十二管脚连接在第九电阻R9和第八电阻R8之间；第一芯片U1的第十三管脚输入电源使能信号；第十三电阻R13连接在第一芯片U1的第十四管脚和接地端之间。第一芯片U1的第十五管脚分别连接在第十一电阻R11和第十五电阻R15之间，以及第四电容C4的上极板，第四电容C4的下极板链接接地端；第一芯片U1的第十六管脚连接接地端，第十七管脚连接保护接地端。

在本实施例中，驱动电压信号为3.3V电压信号，第一芯片U1为TPS61390，通过TPS61390芯片将3.3V电压信号升压至36V输出，得到36V的原始信号。

在一个可选的实施方式中，超声波信号转换模块3包括第一高速开关芯片和第二高速开关芯片。其中，第一高速开关芯片的使能管脚输入第一超声波信号，第一地址选择管脚输入外部第一控制信号；第二高速开关芯片的使能管脚输入第一超声波信号，第一地址选择管脚输入外部第二控制信号；第一高速开关芯片和第二高速开关芯片的开关一端对应的管脚输入原始信号，另一端作为输出端输出第二超声波信号。其中，外部第一控制信号和外部第二控制信号为高低电平相对的一对数字信号。

在一个可选的实施方式中，回波信号接收模块4包括第三高速开关芯片，其中，第三高速开关芯片的使能管脚输入驱动电压信号；第三高速开关芯片的第一地址选择管脚输入外部第一控制信号，第二地址选择管脚输入外部第二控制信号；第三高速开关芯片根据外部第一控制和外部第二控制信号选择信号接收通道，以接收超声波回波信号。

可选地，第一高速开关芯片、第二高速开关芯片和第三高速开关芯片为TMUX7309F或MUX509。

以MUX509芯片作为高速开关芯片的电路图请参见图3所示的超声波信号转换模块和回波信号接收模块的电路图，图中，芯片U17为第一高速开关芯片，芯片U19为第二高速开关芯片，芯片U20为第三高速开关芯片。在本实施例中，通过芯片U17和芯片U19将3.3V的第一超声波信号转换为36V的第二超声波信号。具体过程为，第一超声波信号(图中UP/DOWN信号)连接芯片(U17和U19)的使能管脚EN，原始信号(图中V36信号)的输入端以及第二超声波信号(图中UP_V36和DOWN_V36)的输出端连接到芯片(U17和U19)中开关的两侧。

以芯片U17为例，对超声波信号转换进行具体说明，当UP(3.3V，1Mhz)信号为高时，开关导通，原始信号的输入端以及第二超声波信号的输出端导通；当UP信号为低时，原始信号的输入端以及第二超声波信号的输出端不导通。也就是说UP信号只要能达到使能开关的幅值即可(MUX507开关使能电压2.7v以上即可)，则第二超声波信号的输出端输出1Mhz信号，电压幅值为36V(即UP_V36信号)。同理，芯片U18，将输入的DOWN信号(3.3V，1Mhz)转换成DOWN_V36信号。

在本实施例中，通过外部控制信号选择芯片U17或芯片U19实现对原始信号的转换生成第二超声波信号。可选地，利用高速开关芯片的地址选择管脚(A0和A1)来选择高速开关芯片，然后通过EN使能管脚让对应的开关导通，对原始信号进行转换生成第二超声波信号。对于芯片U20，根据外部第一控制信号和外部第二控制信号选择信号接收通道，以接收所述超声波回波信号

在本实施例中，外部控制信号包括外部第一控制信号K3和外部第二控制信号K4。其中，外部第一控制信号K3输入芯片U17的第一地址选择管脚A1，外部第二控制信号K4输入芯片U19的第一地址选择管脚A1。外部第一控制信号K3和外部第二控制信号K4分别输入芯片U20的第一地址选择管脚A1和第二地址选择管脚A0。

在本实施例中，外部第一控制信号K3和外部第二控制信号K4为高低电平相对的一对数字信号，即，外部第一控制信号K3为高电平时，外部第二控制信号K4为低电平；外部第一控制信号K3为低电平时，外部第二控制信号K4为高电平。

具体地，对声波信号转换模块和回波信号接收模块的具体工作过程进行说明。当外部第一控制信号K3为高电平，外部第二控制信号K4为低电平时，芯片U17的开关S4A和DA被选中，此时，芯片U17根据其EN管脚输入的UP信号，将原始信号V36转换为UP_V36信号，可以得到36V的1Mhz信号波形；而芯片U19的开关S4A和DA未被选中，即就是DOWN_V36信号与V36不导通。

与此同时，芯片U20的开关S3A和DA被选择，其DOWN_V36信号端与DOWN信号端导通，DOWN_V36信号端作为接收端将接收到的超声波回波信号通过DOWN信号端输入GP22超声波信号驱动芯片，进入低压信号解析通道。

同样地，当外部第一控制信号K3为低电平，外部第二控制信号K4为高电平时，芯片U19的开关S4A和DA被选中，此时，芯片U19根据其EN管脚输入的DOWN信号，将原始信号V36转换为DOWN_V36信号，可以得到36V的1Mhz信号波形；而芯片U17的开关S4A和DA未被选中，即就是UP_V36信号与V36不导通。

与此同时，芯片U20的开关S2B和DB被选择，其UP_V36信号端与UP信号端导通，UP_V36信号端作为接收端将接收到的超声波回波信号通过UP信号端输入GP22超声波信号驱动芯片，进入低压信号解析通道。

需要说明的是，信号解析和调制均由GP22超声波信号驱动芯片完成，GP22芯片的信号调制和接收解析都是3.3V电平的，同时发射的信号在传输过程中随距离会急剧衰减，可以确定的是当发射信号与接收信号端距离大于10cm时，发射信号幅值36V，而接收信号幅值不高于3V，通过本实施例的低电压驱动的超声波信号转换电路可以实现高幅值脉冲发射，而接收又变成低幅值脉冲。

在一个可选的实施方式中，低电压驱动的超声波信号转换电路还包括多通道模拟开关芯片，多通道模拟开关芯片与超声波信号转换模块3连接，用于将第二超声波信号扩展为多通道输出。可选地，多通道模拟开关芯片为TMUX7348F或MUX507。

以MUX507芯片作为多通道模拟开关芯片的电路图请参见如图4所示的多通道模拟开关芯片的电路图，在本实施例中，设置有两个MUX507芯片(U16和U18)，每个MUX507芯片的输出端(S1A-S8A，S1B-S8B)对应连接超生波探头，利用MUX507芯片将超声波信号转换模块3输出的第二超声波信号(UP_V36和DOWN_V36)扩展连接更多的探头，衍生出更多的发射和测量通道。其中，芯片使能管脚EN输入外部使能信号(K2/K1)，地址选择管脚A0、A1和A2输入外部地址选择信号，以选择多通道模拟开关芯片的导通通道。

本实施例的低电压驱动的超声波信号转换电路，采用3.3v超声波信号调制芯片进行信号的发射及接收，将3.3v超声波发射信号进行放大，提高了超声波的发射功率，同时对返回的超声波信号进行3.3v的稳压，确保接收芯片的稳定工作。本发明的电路结构简单，容易集成，可以实现全电平范围内的超声波信号驱动。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。