矩形脉冲驱动超声波探头

Posted 2022-04-26 卓晴

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了矩形脉冲驱动超声波探头相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

简介：昨天看到有同学在公众号（TSINGHUAZHUOQING）留言提出了一个有趣的问题。

## 如何将脉冲整成高压矩形脉冲？
卓大大，怎么将一个电压比较高的尖脉冲整形成矩形脉冲啊？我想把如图所示的脉冲整成脉宽为100ns，幅值为250V的矩形脉冲。

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§01 矩形高压脉冲

昨天看到有同学在公众号（TSINGHUAZHUOQING）留言提出了一个有趣的问题。

如何将脉冲整成高压矩形脉冲？

卓大大，怎么将一个电压比较高的尖脉冲整形成矩形脉冲啊？我想把如图所示的脉冲整成脉宽为100ns，幅值为250V的矩形脉冲。

▲ 图1.1.1 脉冲的波形

卓老师，我是准备用一幅值250V，脉宽100ns的矩形脉冲激励超声波探头，但目前产生的脉冲是尖脉冲。矩形脉冲与触发脉冲同步。负载是超声波探头，可以看成一电容负载，等效阻抗较小。

问题分析

高压功率脉冲

实际上，如果仅仅是产生一个幅值达到250V，脉宽为100ns的矩形脉冲，这在电子学工程上实现的确是一个挑战，它涉及到：

高频电子：根据脉冲宽度，可以看到它的频谱主瓣已经达到10MHz了。
功率电子：脉冲幅度达到250V，这也达到并超出了一般功率电子器件耐压范围。

▲ 图1.2.1 矩形脉冲波形以及对应的频谱

说实在，我在这方面设计经验也不足。

资料调查

在网络上，通过检索“high power pulse generator ”, 以及“Micro second high voltage pulse”，可以查看到一些相关文献。

在 Simple MOSFET-Based High-Voltage Nanosecond Pulse Circuit 给出了基于MOSFET的高压高速脉冲电路设计。

电路中采用了普通逻辑器件产生脉宽 200ns的脉冲波形，通过MOSFET专用驱动芯片 MC33151 驱动 射频功率MOSFET DE275-501N16A ，输出高压脉冲。

▲ 图1.2.2 利用斯密特触发器产生快速上升沿，采用图腾柱推拉MOSFET功率器件

下面是该论文给出的实验测试结果。可以看出电路输出了峰值为375V，脉宽为125ns的反向高压脉冲。

▲ 图1.2.3 电路在50欧姆负载上产生的高压反向脉冲

还有一些专门的高功率脉冲设备：

High Power Pulse Instruments GmbH

下面是输出相关的高压脉冲波形参数：

▲ 图1.2.4 高压脉冲波形参数

Medium & High Voltage Pulse Generators (Rise Time > 1 ns) ：给出了一个产品系列，可以输出不同规格峰值的脉冲。

在 High-voltage power pulse circuit 给出了一个输出可以高达1000V，输出电流50A的，电压上升时间100ns的高压脉冲电路。

▲ 图1.2.5 高压脉冲信号产生电路

在 Circuit Modules for CMOS High-Power Short Pulse Generators 给出了设计高功率短脉冲信号设计参考规范。

在 Design of a High Voltage Pulse Generator with Large Width Adjusting Range for Tumor Treatment 给出了用于肿瘤治疗中宽度可调高压脉冲电路。文章不仅给出了电路低压信号产生电路，同样也给出了功率输出，采用并联MOSFET半桥增加输出功率。

▲ 图1.2.6 通过并联MOSFET电路输出的高压脉冲电路

下面就不再一一列举了。从上面可以看到对于这类高压高速脉冲设计来讲，无论是在电路原理分析、还是电路实现经验方面都有着较高的要求。

不过从提问同学对于问题表述来看，这些方案计时他自己查找到，需要多长时间能够理解、比较、测试，现在还不得而知。哪一种更适合他的要求，还需要他自己进行判断。

系统看待问题

说实在的，最初提问的同学仅仅询问如何将一个普通脉冲整型到一个高压矩形脉冲。通过我后面追问，才知道他希望使用该高压脉冲驱动超声波换能器，他剩下的也就没有介绍了。我估计，他是希望通过超声波换能器发送超声波达到测距，或者无损检测等方面的应用。

如何更好地提问？

如果你只是针对一个理论问题，比如矩形脉冲频谱分析等，只要把已知条件给出就可以求解了。但是类似于电路系统这类工程问题，在提问的时候，还是需要把应用背景、边界条件、指标要求等信息给出。否则可能得到的答案根本无法解决你的问题。

实际上，弄清楚那些是边界条件也需要理论和经验支撑才行。

通过他提问中使用到对脉冲进行“整型”，这还是普通模拟自己中的概念，所以猜测它对于高速电路、功率电子等方面还欠缺，所以我也就不再继续提问了。

是否需要矩形波？

在前面所有高压脉冲电路方案中，绝大部分都是假设负载是50Ω阻性负载。但同学提问中需要驱动的对象是压电陶瓷的超声波换能器。

建议阅读 超声波传感器特性测量：发送与接收传感器之间的差异 中对于超声换能器特性测量分析。虽然文中是对普通的超声波发送和接收传感器的测试，也说明了这类换能器大都符合谐振系统特性。他们吸收外部电功率的最佳方式是输入的信号频谱能够位于换能器谐振带宽之内。否则多余的脉冲中的频谱分量只能通过热量被消耗，而无法转换成输出的声能。

这就需要对脉冲输出对象的频率特性进行测量，才能够正确给出输出信号的波形。这类问题会在“信号与系统分析”课程的第六章，关于系统频率分析与测试；以及第三章，信号频谱分析中进行讲解。建议该同学在网络上找到相应的资料把基本的概念补充一下即可。