超声波驱动电路设计与实现 - 基于L293D和LM386的教学文档

1. 概述

本教学文档将详细介绍如何使用L293D电机驱动芯片和LM386音频功率放大器来构建超声波驱动电路，实现超声波发射和接收功能。这两种芯片在超声波应用中各有优势：L293D适合驱动大功率超声波换能器，LM386则适合小功率应用和信号放大。

2. L293D电机驱动芯片详解

2.1 芯片特性

• 双H桥电机驱动芯片，可驱动两个DC电机或一个步进电机
• 工作电压范围：4.5V至36V
• 每通道输出电流：600mA（峰值1.2A）
• 内置过热保护
• 内置钳位二极管

2.2 引脚功能

1,2EN - 通道1/2使能
1A, 2A - 通道1/2输入
1Y, 2Y - 通道1/2输出
VCC1 - 逻辑电源(5V)
VCC2 - 电机电源(4.5-36V)
GND - 地
3,4EN - 通道3/4使能
3A, 4A - 通道3/4输入
3Y, 4Y - 通道3/4输出

2.3 超声波驱动电路设计

2.3.1 发射电路

1. 将超声波换能器连接在两个输出引脚之间（如1Y和2Y）
2. 使用PWM信号控制使能端(1,2EN)来调节输出功率
3. 输入引脚(1A,2A)接互补方波信号（相位差180度）

2.3.2 典型参数

• 工作频率：通常40kHz（需匹配换能器谐振频率）
• 驱动电压：根据换能器要求选择12V或24V
• PWM占空比：建议50%-70%以避免过热

2.4 保护电路设计

• 电源端加0.1μF去耦电容
• 电机电源端加100μF以上电解电容
• 输出端可串联小电阻限流

3. LM386音频功率放大器详解

3.1 芯片特性

• 低电压音频功率放大器
• 工作电压范围：4V-12V
• 输出功率：0.5W（6V电源，8Ω负载）
• 低失真：0.2%
• 增益可调：20-200倍

3.2 引脚功能

1,8 - 增益设置
2 - 反相输入
3 - 同相输入
4 - 地
5 - 输出
6 - 电源
7 - 旁路

3.3 超声波应用电路

3.3.1 接收放大电路

1. 超声波接收换能器接同相输入端(3)
2. 反相输入端(2)通过电阻接地
3. 增益设置：
   • 1.35kΩ电阻接1-8脚：增益200倍
   • 10μF电容接1-8脚：增益50倍
4. 输出端接带通滤波器（中心频率40kHz）

3.3.2 发射驱动电路

1. 可用于小功率超声波发射
2. 输入端接40kHz方波信号
3. 输出端接超声波换能器
4. 需注意输出功率限制

3.4 外围电路设计

• 电源端加0.1μF和100μF电容
• 输出端串联10Ω电阻和0.05μF电容组成高通网络
• 7脚接10μF旁路电容到地

4. 系统集成设计

4.1 超声波测距系统框图

[微控制器] -> [L293D驱动] -> [发射换能器]
[接收换能器] -> [带通滤波] -> [LM386放大] -> [检波] -> [微控制器]

4.2 关键参数匹配

1. 发射频率与换能器谐振频率一致
2. 接收放大电路带宽与信号频率匹配
3. 驱动电压与换能器额定电压匹配
4. 功率匹配，避免损坏换能器

4.3 抗干扰设计

1. 发射与接收换能器物理隔离
2. 电源良好滤波
3. 信号地与大电流地分开
4. 使用屏蔽线连接敏感信号

5. 实际应用注意事项

1. L293D使用要点：

   • 大电流工作时加散热片
   • 避免输出短路
   • 电机电源与逻辑电源分开
   • 快速开关时注意续流二极管性能

2. LM386使用要点：

   • 避免输入过载
   • 注意输出负载阻抗匹配
   • 高频应用时减小增益
   • 布局时注意减少寄生电容

3. 超声波系统优化：

   • 调整发射功率与接收灵敏度平衡
   • 通过实验确定最佳工作频率
   • 考虑温度对声速的影响
   • 多径反射干扰处理

6. 进阶应用

1. L293D高级应用：

   • 多换能器阵列驱动
   • 相位控制波束成形
   • 大功率超声清洗设备驱动

2. LM386高级应用：

   • 多级放大电路设计
   • 自适应增益控制
   • 数字信号处理前端

3. 混合应用：

   • L293D驱动发射，LM386处理接收
   • 使用L293D产生高压驱动，LM386做信号调理
   • 双向超声波通信系统

7. 故障排查指南

1. 无超声波发射：

   • 检查L293D使能信号
   • 测量输入方波信号
   • 检查电源电压
   • 确认换能器连接正确

2. 接收信号弱：

   • 检查LM386增益设置
   • 测量各级信号幅度
   • 确认带通滤波器参数
   • 检查换能器灵敏度

3. 系统不稳定：

   • 检查电源滤波
   • 确认接地良好
   • 检查信号屏蔽
   • 测量环境噪声

8. 参考设计参数

L293D驱动40kHz超声波换能器：

• 电源电压：12V
• 输入信号：40kHz，50%占空比方波
• 使能信号：40kHz PWM，70%占空比
• 输出电流：约300mA
• 换能器阻抗：约40Ω

LM386接收放大电路：

• 增益：50倍（1-8脚接10μF电容）
• 带宽：35kHz-45kHz（通过LC滤波实现）
• 输入信号幅度：1-10mV
• 输出信号幅度：50-500mV

9. 总结

L293D和LM386是构建超声波系统的优秀芯片选择，L293D提供强大的驱动能力，LM386提供灵敏的信号放大。通过合理设计，可以构建从简单测距到复杂通信的各种超声波应用系统。关键是要理解两种芯片的特性参数，做好阻抗匹配和功率匹配，并注意系统的抗干扰设计。