简易声波检测系统硬件系统搭建Word格式.docx
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指导教师:
天津医科大学生物医学工程学院
2010年11月20日
1.开题背景
人耳能听到的声波频率为20~20000赫兹,频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。
一系列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应,包括以下4种效应:
机械效应、空化作用、热效应、热效应。
超声效应已广泛用于实际,主要有如下几方面:
超声检验(超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术)、超声处理(超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等,在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用)、基础研究。
通常用于医学诊断的超声波频率为1~5兆赫兹。
其重要应用超声医学正随着超声检测与超声处理的发展在不断发展。
超声医学的临床应用主要:
治疗学方面的应用:
理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等。
超声诊断方面:
A超诊断、B超诊断、D超诊断、M超诊断、彩色超声多普勒诊断等、三维超声诊断、四维超声诊断。
目前国外的最新进展是三维、四维超声诊断,我国从1958年A型超声诊断仪诞生到开放引进使技术快速发展,双功超声诊断仪、彩色超声血流图仪等相继制成。
同时,中、低档机型产销增长迅速,目前产品紧跟世界先进水平。
超声信号的检测、识别和显示成为超声波诊断(超声医学)的关键环节之一。
2.课题目的
通过本实验了解超声波的特点、主要参数、发展史及主要的临床应用。
掌握音频信号的检测、识别和显示等基本原理。
这里实验室条件下我们以低频音频信号代替超声波信号实验。
3.课题研究的主要内容
(1)音频信号频率识别及显示,识别范围0-10kHZ;
(2)峰峰值测量及显示;
(3)峰值包络检出及显示;
(4)Protell99作原理图并生成PCB板;
(5)完成技术报告一篇
4.原理和方法
原理
1)串联型二极管峰值包络检波器
电路由二极管D和RLC低通滤波器相串接构成。
输入US时,通过D的电流i在RLC电路产生平均电压UAV,该电压又反作用于D上(称平均电压负反馈效应),影响通过二极管的电流。
若Us=Vcm(1+MacosΩt)cosωCt
则UAV=ηdVcm+ηdMaVcmcosΩt=VAV+Uav
其中Uav∝UΩ
所以实现了线性检波。
∙电容两端存在锯齿脉冲电压U0称未滤净的残余高频电压,UAV输出平均电压反映了包络变化规律。
∙二极管的导通角φ很小(
),所以动态平衡时它工作在信号峰值附近。
∙检波性能与RLC时间常数相关,RLC愈大U0愈小,UAV愈大检波性能愈好。
整体方案论设计
本系统是基于硬件电路的声音检测系统。
该系统主要有音频信号提取模块、音频信号处理模块(信号放大、波形比较整形)、555定时器(产生1s的方波)、鉴频电路(RC电路)、包络检波电路(运放、二极管)、LED显示单元。
整体工作原理:
设计采用微音器采集信号,LF442功率放大,由LM567CN选频网络实现信号频率的选择(频率通过电位器及电容值来调节控制),信号经LM339比较器进行波形整形成方波信号,通过555定时器产生的1s标准方波信号进行定时,来计算信号频率,通过鉴频器(RC电路)控制,信号进入LED显示单元(LM339和二极管),仿照电压表的工作原理,通过控制不同的电阻值,用7个二极管的亮灭显示不同电压(频率不同)的信号。
具体模块及其实现(原理图)
1)微音器+LF442
图1.1
2)LM567CN选频网络
图1.2
3)波形整形电路
图1.3
工作原理:
此电压比较器是但门限电压比较器,当输入电压大于门限电压时,LM339输出高电平;
当输入电压小于门限电压时,LM339输出低电平。
可将非方波信号整形成方波信号。
4)555定时器
图1.4
没有触发信号时2脚(设为v1)处于高电平(v1>
Vcc/3),如果接通电源后Q=0,(设3脚输出电压为v0)v0=0,T导通,电容通过放电三极管T放电,使vc=0,v0保持低电平不变。
如果接通电源后Q=1,放电三极管T就会截止,电源通过电阻R向电容C充电,当vc上升到2Vcc/3时,由于R=0,S=1,锁存器置0,v0为低电平。
此时放电三极管T导通,电容C放电,v0保持低电平不变。
因此,电路通电后在没有触发信号时,电路只有一种稳定状态v0=0。
若触发输入端加触发信号(v1<
Vcc/3),电路的输出状态由低电平跳变为高电平,电路进入暂稳态,放电三极管T截止。
放电三极管T截止。
此后电容C充电,当C充电至vc=2Vcc/3时,电路的输出电压v0由高电平翻转为低电平,同时T导通,于是电容C放电,电路返回到稳定状态。
输出电压v0的脉宽
可以通过调节R2、C2的值来调节输出电压的脉宽和占空比。
5)鉴频及包络检波
图1.5
1)RC鉴频器:
根据R6左端输入的信号的频率的不同,C3分的电压值就不同,通过包络检波电路部分,在LM324的7脚可以用示波器显示出波形的包络值。
2)串联型二极管峰值包络检波器
∙控制
可实现波形包络的测量。
6)显示电路(LM339及二极管)
图1.6
仿照电压表的工作原理,经参考电压均分成7个值:
5/8V、10/8V、15/8V、20/8V、25/8V、30/8V、35/8V、40/8V和反相端输入的电压值进行比较。
当
时,二极管D9亮其余不亮;
时,二极管D9、D8亮其余不亮;
时,二极管D9、D8、D7亮其余不亮;
时,二极管D9、D8、D7、D6亮其余不亮;
时,二极管D9、D8、D7、D6、D5亮其余不亮;
时,二极管D9、D8、D7、D6、D5、D4亮其余不亮;
二极管D9、D8、D7、D6、D5、D4、D3都亮。
通过二极管亮灭的情况大致确定信号频率的范围,再通过表盘,可读出大致的频率范围。
结果与讨论
1)包络检波电路部分必须控制
,才能实现电容的充放电时间和峰值的测量。
2)本方案555定时器占空比固定,可以稍作改进成为占空比可调的定时器电路,如下图所示
图1.7
充电时间:
放电时间:
占空比:
实物图:
图2.1
主要参考文献
[1]康华光,陈大钦,张林,等电子技术基础(第五版).华中科技大学电子技术课题组.2006年1月第5版.22-39页,137-161页
[2]康华光,邹寿彬,秦臻,等电子技术基础(第五版).华中科技大学电子技术课题组.2006年1月第5版.387-421页
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