科技创新结题论文正式版

1、科技创新结题论文目 录前言 2第一章 声波发射电路的应用现状及实验意义 3第二章 声波发射电路基本原理42.1 MOS管的工作原理 42.2 CMOS反相器的工作原理52.3 555定时器的原理及应用 72.4 整流电路基本原理102.5 整体声波发射电路原理11 第三章 Multisim电路仿真分析及电路调试结果13第四章 声波发射电路的分析改进 184.1 基于保护场效应管V4的技术改进184.2 基于分析原电路各段信号变化的改进 19第五章 运用Protel设计印制电路板 24第六章 实验总结 27参考文献 28致谢 28附录 实验电路板照片 29前 言在学校的大力提倡与鼓励之下，我们小

2、组通过申请获得参加此次科技创新活动的机会。该创新课题由付建伟老师提出整个实验的基本框架构想，并提供实验场所和器材，同时细致悉心地进行全程实验指导，提供帮助。实验主要在假期进行，整个过程共分五个阶段，第一阶段为电子电路基本知识掌握阶段，第二阶段为电路原理图分析探讨以及线路板连接及调试阶段，第三阶段为尝试性改进阶段，第四阶段为电路板制作阶段，第五阶段实验分析及总结阶段。本次试验以此五步有序进行，基本完成了实验要求，充分学习了电子电路基本知识，掌握了声波发射电路的原理，并经过不断探讨，反复尝试，从而设计出了符合实验要求的电子电路，制作出电路板，之后对电路进行实际分析与实验可靠性验证，最后在之前的基础

3、上总结实验内容撰写实验报告。第一章 声波发射电路的应用现状及实验意义测井仪是测井作业中所必需的核心元件。声波测井中，测井仪需要在深井高温高压的环境下使用，这对使用条件及组合功能的要求较高。而现今大多数油田广泛采用1609补偿声波测井仪，这种类型的测井仪，其发射电路的CMOS场效应管易损坏，从而影响了测井仪的使用寿命。究其原因，原来1609补偿声波测井仪的发射电路存在缺陷，即原电路中的CMOS场效应管之一易于被击穿而损坏，有些油田拒绝使用CMOS场效应管，改用可控硅代替CMOS场效应管作发射开关。但是，美国阿拉斯加公司在1609电子线路设计中，最早使用的就是可控硅，经过一段时间的使用，发现可控硅

4、抗干扰能力较差，比较容易产生误触发，造成仪器工作不正常；声波触发时间要求准确，可控硅作发射开关时，触发脉冲上升前沿不是非常陡峭，造成发射误差；而且由于可控硅关断时间的不确定性，造成仪器工作电流较大(200 mA)，从而影响组合测井时其他仪器的正常工作。阿拉斯加公司发现问题后，改用CMOS场效应管做发射开关。该种器件是电压可控器件，它可以执行满意的开关功能，具有体积小、功耗低等优点。在节约能源的同时，彻底消除了可控硅的误导现象，提高了测井成功率。而新一代的改进后的1609补偿发射仪发射电路，彻底地解决了发射激励电路易损坏CMOS场效应管元器件的问题，仪器的可靠性较高。本实验将采用更先进的VMOS

5、管作为发射开关，通过深入分析测井仪发射电路的工作原理及其存在的缺陷，尝试新的可行的电路组合，调试成功后，用计算机软件制作电路板模型，并制成电路板，然后将其连接至测井仪工作电路中，检验其效能。从而达到改进原有技术，提高仪器的可靠性，以增加声波测井仪的使用寿命的目的，同时制成的电路板可应用于声波测井的实际作业中，突出了其使用价值。如此，本次创新实验就具有了重要的意义。第二章 声波发射电路基本原理声波发射电路分为三大模块：整流电路、控制电路及发射激励电路，所设计电路的各个部分间关系如下：压电陶瓷换能器外接换能器初始电信号实验电路模块化示意图实验中需用到的电子器件主要有MOS管，555定时器，整流器等

6、，下面对所用元器件和电路做以介绍。2.1 MOS管的工作原理 MOS管作为开关电路在数字电路或系统中应用非常广泛，它的作用对应于有触点开关的“断开”或“闭合”，但在速度和可靠性方面比机械开关优越得多。图2-1-1（b）所示为N沟道增强型MOS管构成的开关电路，其实是NMOS管构成的反相器。VIVGS，VOVDS，VT为其开启电压。图2-1-1（a）为NMOS管的输出VGS为MOS管栅极和原极之间电压特性曲线，其中斜线为直流负载线。图2-1-1 MOS管开关电路及其输出特性曲线（b）MOS管开关电路（a）N沟道MOS管的输出特性曲线（a） （b） 当VIVT时，MOS管处于截至状态，iD0，输出

7、电压VOVDD。此时器件不损耗功率。 当VIVT时，并且比较大，使得VDSVGS-VT时，MOS管工作在饱和区。随着VI的增加，iD增加，VDS随之下降，MOS管最后工作在可变电阻区。从特性曲线的可变电阻区可以看到，当VGS一定时，d、s之间可近似等效为线性电阻。VGS越大，输出特性曲线越倾斜，等效电阻越小。此时MOS管可以看成一个受VGS控制的可变电阻。VGS的取值足够大时，使得Rd远远大于d、s之间的等效电阻时，电路输出为低电平。因而，MOS管相当于一个由VGS控制的无触点开关，当输入为低电平时，MOS管截至，相当于开关“断开”，输出为高电平。当输入为高电平时，MOS管工作在可变电阻区，相

8、当于开关“闭合”，输出为低电平。2.2 CMOS反相器的工作原理P沟道CMOS和N沟道CMOS构成了CMOS反相器。图2-2-1所示即为CMOS反相器电路，由两只增强型MOSFET组成，其中TN为N沟道结构，TP为P沟道结构。两只MOS管的栅极连在一起作为输入端；它们的漏极连在一起作为输出端。按照图中标明的电压与电流方向，VIVGSN，VOVDSN，并设iDNiDPiD。为了电路能正常工作，要求电源电压VDD大于两只MOS管的开启电压的绝对值之和，即VDD（VTNVTP）。图2-2-1 CMOS反相器对于反相器的具体工作原理，先考虑两种极限情况。当VI处于逻辑0时，相应的电压近似为0V；而当V

9、I处于逻辑1时，相应的电压近似为VDD。假设在两种情况下，TN为工作管，其图2-2-2 P沟道MOS管输出特性曲线（b）（a）（b） 以VO为横轴的输出特性曲线（a）以VSDP为横轴的输出特性曲线输出特性曲线如图2-1-1(a)所示。TP为负载，其输出特性曲线如图2-2-2所示。对于TP管VSDPVDD- VO，为了便于分析，将2-2-2(a)中的横坐标变换为VO（VDD-VSDP），则得到图2-2-2(b)。 当输入为高电平VIVDD时，根据电路图可知VGSNVDD，而VSGP0。图2-2-3（a）所示即为此时的图解分析。在工作管TN的输出特性曲线VGSNVDD上，叠加一条负载线，它是负载管

10、TP在图2-2-2(b)中VSGP0时的曲线。由于VSGPVT（VTNVTPVT），负载曲线几乎是一条与横轴重合的水平线。两条曲线的交点即是工作点。显然。这时TP管工作在截至区，TN管工作在可变电阻区，输出电压VOLVOL0（典型值10mV），而通过两管的电流接近于零。所以，电路的功耗很小（微瓦数量级）。 当输入为低电平VI0，即VGSN0，而VSGPVDD时，其图解分析如图2-2-3（b）图2-2-3 CMOS反相器图解分析（a）（b） （b）输入低电平时的工作情况（a）输入高电平时的工作情况 所示。工作管TN在VGSN0的情况下，其输出特性是一条几乎与横轴重合的曲线。负载曲线是负载管TP在

11、图2-2-2中VSGPVDD时的曲线。由图可知，工作点在VOVOHVDD，此时TP管工作在可变电阻区，TN管工作在截至区，通过两管的电流接近零值。可见上述两种极限情况下的功耗都很低。 由此可知。基本CMOS反相器近似于一个理想的逻辑单元，其输出电压接近于零或+VDD，而功耗几乎为零。2.3 555定时器的原理及应用555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路等方面有广泛的应用.集成555定时器有双极性型和

12、CMOS型两种产品。一般双极性型产品型号的最后三位数都是555，CMOS型产品型号的最后四位数都是7555.它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。器件电源电压推荐为4512V，最大输出电流200mA以内，并能与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。其主要参数见下页表2-3-1。表2-3-1 555定时器主要性能参数(a)双极性型5G555的主要性能参数参数名称符号单位参数电源电压VCCV516电源电流ICCmA10阈值电压VTHVVCC触发电压VTRVVCC输出低电平VOLV1输出高电平VOHV13.3最大输出电流IOMAXmA200最高振荡频率fMAXKHz300时间误差tnS5 VTH即Vi1

13、,VTR即Vi2 。(b) CMOS型7555的主要性能参数参数名称符号单位参数电源电压VCCV318电源电流ICCA60阈值电压VTHVVDD触发电压VTRVVDD输出低电平VV0.1输出高电平VV14.8最大输出电流IOMAXmA200最高振荡频率fMAXKHz500时间误差tnS 图2-3-2 555定时器逻辑 符号和引脚图2-3-1 555定时器内部结构本实验采用CMOS型7555定时器，其内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图2-3-1和图2-3-2所示。利用555定时器可以组成单稳态触发器与多谐振荡器，具体工作原理如下：（1）单稳态触发器图2-3-3所示为单稳态触发器的电路和波形

14、图。单稳态触发器在数字电路中常用于规整信号的脉冲宽度（TW）：将脉宽不一致的信号输入单稳态触发器后，可输出脉宽一致的脉冲信号。另外，单稳态触发器也常用于定时器电路中，调整RC的值可以得到不同的定时值。单稳态触发器采用电阻、电容组成RC定时电路，用于调节输出信号的脉冲宽度TW。在图2-3-3（a）的电路中，Vi接555定时器端，其工作原理如下：图2-3-3稳态（触发前）：Vi为高电平时，VTR=1，输出VO为低电平，放电管T导通，定时电容器C上的电压（6、7脚电压）VC = VTH = 0， 555定时器工作在“保持”态。触发：在Vi端输入低电平信号，555定时器的端为低电平，电路被“低触发”，

15、Q端输出高电平信号，同时，放电管T截止，定时电容器C经（R+RW）充电，VC逐渐升高。电路进入暂稳态。在暂稳态中，如果Vi恢复为高电平（VTR=1），但VC充电尚未达到VCC时（VTH=0），555定时器工作在保持状态，VO为高电平，T截止，电容器继续充电。恢复稳态：经过一定时间后，电容器充电至VC略大于VCC ，因VTH>VCC使555定时器“高触发”，VO跳转为低电平，放电管T导通，电容器经T放电，VC迅速降为0V，这时，VTR=1，VTH=0，555定时器恢复“保持”态。高电平脉冲的脉宽TW：当VO输出高电平时，放电管T截止，电容器开始充电，在电容器上的电压<VCC这段时间，

16、VO一直是高电平。因此，脉冲宽度即是由电容器C开始充电至VC=VCC的这段暂稳态时间。脉冲宽度计算公式：Tw1.1(R+RW)C（2）多谐振荡器图2-3-4所示为自激多谐振荡器电路和波形图。多谐振荡器用于产生连续的脉冲信号。电路采用电阻、电容组成RC定时电路，用于设定脉冲的周期和宽度。调节RW或电容C，可得到不同的时间常数；还可产生周期和脉宽可变的方波输出。脉冲宽度计算公式：TP10.7 R2 C振荡周期计算公式：T0.7 (R1+2R2) C图2-3-4 多谐振荡器电路和波形图分析方法与单稳态电路相似，但电容器C的充电电阻是R1 +R2 ，放电电阻是R2 。当VC是低电平时，555定时器低触

17、发，VO为高电平，放电管T截止，电容器经（R1 +R2）充电，当充电至VC=VTH>VCC时，电路高触发，输出VO变为低电平，放电管T导通，电容器经R2放电，当放电至VC=VTR<VCC时，电路又进入低触发，VO变为高电平，如此周而复始，循环不止，输出连续脉冲信号。2.4 整流电路基本原理实验中采用单相桥式整流电路。电路如图2-4-1所示。图2-4-1 单相桥式整流电路图实验所用电路图2-4-1中使用的220V交流电压波形如图2-4-2中V2。图中VL为经过整流器后，电阻R1两端的电压。VL进行傅立叶展开可得其平均值为直流电流为因二极管D1、D3和D2、D4是两两轮流导通的，故可知

18、流经每个二极管的平均电流为图2-4-2 单相桥式整流电路电压、电流波形图2.5 整体声波发射电路原理180V交流电压经变压器1升至280V左右，整流后将电容器充电到400V，该电容器与变压器2的初级一端连接，变压器2的另一端与发射激励板的CMOS场效应管4(IRFP460)的漏极相连。当4导通，电容器经变压器2的初级线圈放电，在次级绕组产生一个脉宽约为28us的4000V的高压脉冲，该脉冲激励发射器B,使其产生声振动。整个声波发射电路的构成如图-5-所示。图2-5-1 实验电路原理 为了了解CMOS场效应管V4易损坏的原因，我们具体分析了发射激励电路的工作原理，电路原理图如图2-5-2所示。X

19、1X3X1V4V3V2 发射激励电路图 图2-5-2 原发射电路详图图2-5-2 发射电路详图该电路是由P沟道增强型CMOS场效应管V2（型号为IRFD9120）和N沟道增强型CMOS场效应管V3（型号为IRFD120），按照互补对称的形式连接而成，构成反相器。场效应管V2与场效应管V3二者的栅极连接在一起引出输入端，按逻辑解码器输出来发射脉冲。两管漏极接在一起作输出，V2的源极接电源，V3的源极接地。从逻辑解码器输出的负逻辑脉冲送至该电路X3处，一般情况下，输入X3处为高电平，使得场效应管V2截至，V3导通，因此V4截至；当X3触发为低电平脉冲时，V2导通，V3截至，使V4导通，从而最终使得

20、图2-5-1中压电陶瓷换能器将电能转化为机械能而产生声振动。第三章 Multisim电路仿真分析及电路调试结果Multisim是用于电路设计仿真的软件工具，适用于板级的模拟 / 数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力，可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。因此基于此软件，可以对前述声波发射电路进行仿真模拟，并进行调试运行，以测试信号通过各器件、各模块之后的变化情况。同时，运用Multisim可以很方便地对电路中的各个参数进行设置，使电路稳定运行，再根据仿真所用参数对实际电路进行调试，使电路连接

21、符合要求并加以分析，以对其进行尝试性的优化。下列各图即显示了Multisim 软件平台，其工作区所示图形是利用它做出的信号通过2-5-2所示电路中的各元件之后，用示波器显示的结果，如图3-1，3-3，3-8。图3-1 原声波发射电路图2-5-2中信号经过555定时器之后的波形图实验所用的输入信号为5V直流电压信号。由上图知，信号经过555定时器组成的多谐振荡器（控制电路部分）之后产生低脉冲长度T25us脉冲波，波形较为规则。根据多谐振荡器的脉冲宽度计算公式：TP10.7 R2 C，此处R22.4K，C15nF，故得TP125.2us，因而模拟所得结果与理论计算值较好地符合。根据图2-5-2，连

22、接实物电路，用示波器测量经过555定时器组成的多谐振荡器后的信号情况，并进行调试。结果如图3-2所示。经过与仿真模拟信号比较，可见二者是一致的，从而验证了图3-2 用示波器测信号经过555定时器之后的波形图了此部分电路连接及调试的正确性。图3-3 原声波发射电路图2-5-2中信号经过CMOS反相器之后的波形图 图3-5 信号经过555定时器与CMOS反相器之后的波形比较图3-4 用示波器测信号经过CMOS反相器之后的波形图 可见，经过CMOS反相器之后信号发生了“倒转”，即波形变为了T25us的高脉冲波，电压幅度不变。27图3-7 信号经过CMOS反相器与CMOS场效应管V4（IRFP460）

23、之后的波形比较 相比二者，高低电平出现在同一时刻，即步调一致。下页图所示波形为负载电阻R7两端电压显示。图3-6 用示波器测信号经过CMOS场效应管V4（IRFP460）之后的波形图如图，此低电压脉冲长度仍为25us。图3-7 原声波发射电路图2-5-2中负载R7两端电压的波形图 如以上各图，信号并非理想波形，这是因为无论在模拟的系统还是实际电路中，在从低电平跳变到高电平，或从高电平跳变到低电平时，要经过过渡过程：上升时间与下降时间，因而波形边沿没有那么陡峭，波形并不成标准的方波。 之所以取脉冲长度约为25us，是因为发射换能器的激励电压是不连续的，而是正负电压交替，按换能器的一般工作原理，在

24、这种有正负双极性脉冲激励时，正负脉冲的前沿间距为半周期时 ,发射效率最大。这里所取它们的前沿间距为 25us ,对应于工作频率为20kHZ。第四章 声波发射电路的分析改进4.1 基于保护场效应管V4的技术改进 如图2-5-2，对于此声波发射电路，据相关资料，在生产和维修中，由于前级逻辑解码输出的逻辑脉冲不正常，X3处如果始终为低电平时，V2始终导通，V3截至，使得V4始终导通。从图2-5-1可以看出，此时充电电容C将通过V4放电，导致V4上有极大电流，从而造成V4场效应管击穿而损坏。在仪器生产调试及油田用户的使用中，该器件极易损坏，影响了该仪器的正常使用。V3V2图4-1-1 基于保护场效应管

25、V4的声波发射电路改进图V4如图4-1-1，通过分析与实验，我们在场效应管V2的栅极和源极之间加上一个上拉电阻R5（本实验中取值4.7k），使得V2栅极始终保持一定电平，一般情况下V2保持截至，V3导通，V4截至；只有一定幅度的负脉冲信号进来时，V4才能导通，从而保护了大功率场效应管V4。改进后的电路中，选择VMOS（VMOS是一种工艺结构，因在硅片表面腐蚀出V形槽而得名；CMOS中的C是指P沟道与N沟道的合成，一般称互补型）作为发射开关，在功能上更加完善与稳定。综合言之，改进后的声波电路各项性能指标均符合要求，声波发射效果好，实验效果良好，且不易损坏，相比较以前电路，有效提高了仪器的可靠性与

26、稳定性，具有较强的可用性。4.2 基于分析原电路各段信号变化的改进如第三章所述，可知原电路中信号经过各器件，各电路部分后的变化情况。分析可知，CMOS场效应管的作用相当于一开关，即在高电平或低电平时选择性地导通电路，从而控制电路。最终影响声波发射的是电路中R7两端的电压脉冲经变压器后形成高压脉冲激励发射器，产生声波。2.4kV4图4-2-1 基于分析原电路各段信号变化的改进电路图对于此电路，为了验证其与原电路功能的一致性，采用Multisim仿真软件测试信号与用示波器测试实际连接电路各段信号相结合的方法。为了验证此设计电路的可用性，将其连接到声波发射换能器，实验结果相比较于原电路，基本一致，声

27、波发射效果良好。 以下各图即为根据图4-2-1设计电路所测试的电路各段信号图。图4-2-2 （电路4-2-1）信号经过第一级555定时器后的实际电路输出波形图 图4-2-3 （电路4-2-1）信号经过第二级555定时器后的实际电路输出波形图 第一级555定时器构成的为多谐振荡器，第二级555定时器构成施密特触发器，二者的功能有所不同（详见2.3）。由图4-2-2，4-2-3，可见，由第一级555构成的多谐振荡器输出的信号经过由第二级555构成的施密特触发器后，发生了“倒转”：由瞬时低电平信号变为瞬时高电平信号，且其它各参量均不变。对比于图3-2，3-4，则图2-5-2、4-2-1所示两个电路在

28、这部分有相同作用。图4-2-4 信号经过多谐振荡器与施密特触发器之后的波形比较图4-2-4表明了波形的变换是同时的，无其它器件引起的较大时差。与图3-5所示情形完全一致。图4-2-5 （电路4-2-1）信号经过第二级555定时器后的Multisim仿真波形图 图4-2-5与图4-2-3所示波形在误差范围内基本吻合（均为T25us，U5V），验证了实际调试电路的正确性。图4-2-6 （电路4-2-1）信号经过场效应管V4后的实际电路波形图对比于图3-6，可见二者在指标参数方面基本一致。 （b） 单脉冲信号图（a） 多脉冲信号图图4-2-7 信号经过施密特触发器与场效应管V4（见图4-2-1）之后

29、的波形比较（上半支为经过场效应管V4之后，下半支为经过施密特触发器之后）下页图4-2-8所示为改进后的声波发射电路4-2-1中负载R7两端电压的波形图，对比于图3-7，可见二者基本一致。图4-2-8 改进后的声波发射电路4-2-1中负载R7两端电压的波形图综上分析对比可知，尝试设计的声波发射电路（图4-2-1）与原声波发射电路（图2-5-2）能够产生相同的信号输出，而设计的新电路在采用的元器件的造价方面要低于原电路。故而可以尝试代替，经实地实验证明，新的设计电路完全能够达到声波发射的目的，效果较好，可尝试用于市场推广。 第五章 运用Protel设计印制电路板在前所述的电路板调试中，已成功完成两

30、方面的内容：在PCB板上电路的连接、在焊线板上电路的焊接。为了更好地了解、学习现代电子技术的发展及成就，我们学习运用Protel设计印制电路板，同时以达到更好的创新实验效果。电子产品的电路设计是电子产品设计的核心工作，主要包括原理图和印制电路板设计两部分。传统的手工设计一般都需要经过原理图的预设计、印制电路板预设计、测试印制版的制作、元器件的实际安装及电器参数测试，对于这些过程，容易出现错误，所以经常需多次反复进行。随着电子技术，特别是计算机技术的发展，以上问题得到了很好的解决EDA（Electronic Design Automation）技术提供了强大的支持。Protel是世界上最流行的E

31、DA技术软件之一，易学易用、功能完善、接口多、兼容性强，开放性好，非常适合于电子产品的功能设计、逻辑设计、性能分析、电气参数测试以至印制电路板的自动化布局和自动化布线。实验对图4-1-1及4-2-1所示电路进行了尝试性设计，如下列图。图5-1 根据图4-1-1设计的印制电路板图 图5-2 对图4-1-1中各器件封装后的原理图图5-3 根据图4-2-1设计的印制电路板图图5-4 对图4-1-1中各器件封装后的原理图第六章 实验总结本实验通过分析研究发射电路原理及其相关期间的功用，在成功连接电路并不断调试的基础上，从深层剖析，对原声波发射电路做了技术性的改进，提出了两套方案，并经实验验证了其可行性，并且制作出了印制电路板，成果丰硕。在实际生产中，声波发射电路的稳定性对声波测井曲线的采集具有重要的意义，同时声波换能器的性能测试