STM32 超声相控阵导盲系统

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发出的超声信号碰到障碍物发射之后到达接收探头位置，信号经过传播过
程中的衰减以及发射过程中能量的消耗，回波信号十分微弱，为毫伏量级。为了
提高系统的精度，并充分利用STM32的ADC的量程，信号的接收部分需要将信号
放大至伏量级。在实际应用中，如果要实现一个比较高的放大倍数，用两个等增
益的运放或者多个等增益的运放要比一个运放的效果好得多。一级运放的放大倍
数一般不超过100倍(40dB)，单级过高的放大倍数容易引起震荡，其带宽也要
受到限制。在本设计中要对信号实现上千倍的放大。放大电路包括三级的比例放
大和一级的低通滤波电路组成。

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考虑到输入信号十分微弱，如果直接对信号进行放大可能会对信号产生比
较大的影响，所以在比例放大与接收探头之间增加一级源极跟随器。源极跟随器
的主要器件为N沟道的金属一氧化物一半导体场效应管(MOSFET)，该电路的电压
增益小于1，但接近于1，具有电流放大作用;输入电压和输出电压同相，输入
电阻很高，而输出电阻很低;能实现阻抗变换。

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由于该放大电路采用的是单电源供电，所以需要给输入信号加上合适的偏置
电压。使其得到无失真的放大。用电阻8201与电阻8202构成分压电路，8203
与8204组成分压电路，四个电阻阻值均为680K，把正输入端的直流电压钳制为
VCC/2。输入信号是通过电容C201藕合到正输入端。

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超声信号的传播时间会因为障碍物与换能器之间的距离和角度的不同而有
较大的变化。这也决定了回波信号在空气中的衰减程度会有很大的变化，从而导
致接收到的回波信号幅度会产生比较大的变化。为了使接收电路的输出端能够输
出一个幅度比较稳定的信号，在两级的比例放大之后需要增加一级自动调节放大
幅度的系统。保证输出信号幅度的稳定性。因为本设计中超声相控阵是对固定几
个焦点的扫描，而每一个焦点到接收探头的距离基本一样，所以各个焦点返回的
回波信号在空气中传播的时间是基本一致的，导致信号幅度变化的因素主要就是
超声换能器和障碍物之间的角度。因为回波信号在空气中的传播时间基本一致，
所以如果采用时间增益控制电路(TGC)，就不能起到明显的稳定信号幅度的作
用。所以本设计中的第三级放大就采用固定增益放大。本部分的电路图如图4. 17
所示。

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本设计的电源主要有四部分，包括STM32芯片供电，CPLD MAX II芯片供电，
电路中其他工C供电，以及发射部分变压器的供电。实验环境下，采用实验室
HY1712-55双路可跟踪直流电源输出9V直流电源供电。电路中变压的供电电压
为9V,
由9V
直接由直流电源供给。运算放大器OPA725和OPA2725的供电电压为5V,
直流电经过LM7805转换为5V0 STM32和CPLD MAX且的工作电压为3. 3V,
此电压有LM1117-3. 3得到。该部分的电路分别如图4. 19和图4. 22所示。

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