طراحی درایور پیزو الکتریک و تقویت‌کننده کم‌نویز (LNA) فرکانس بالا (تا ۱۰ مگاهرتز)

در طراحی تجهیزات اندازه‌گیری دقیق مانند فلومترهای اولتراسونیک مبتنی بر اثر داپلر، یکی از پیچیده‌ترین مسائل، ادغام یک فرستنده پرقدرت و یک گیرنده بسیار حساس در یک ماژول واحد است. چالش اصلی در این پروژه، مجاورت بدون تداخل یک درایور با نوسان ولتاژ بالا (۷۲ ولت پیک‌تو‌پیک) برای تحریک پیزو، در کنار یک تقویت‌کننده کم‌نویز (LNA) برای دریافت سیگنال‌های بازگشتی در حد میکروولت بود. هرگونه نشتی الکترومغناطیسی (EMI) از بخش قدرت می‌توانست سیگنال‌های ضعیف دریافتی را کاملاً محو و غیر قابل تشخیص نموده و اندازه‌گیری را با شکست مواجه سازد.

راهکار های فنی و ملاحظات طراحی

برای تضمین عملکرد پایدار سیستم، معماری برد به گونه ای طراحی شده است که بخش های حساس و پرتوان به صورت فیزیکی و الکتریکی از یکدیگر تفکیک شوند:

• مدیریت توان و ایزولاسیون کامل: بخش فرستنده، ولتاژ تغذیه را تا سطح ۷۲ ولت (Peak-to-Peak) تقویت می‌کند تا حداکثر دامنه ارتعاشی در پیزو ایجاد شود. برای جلوگیری از انتشار نویز سوئیچینگ، تمامی رله ها و مسی های کنترلی با اپتوکوپلر های ایزوله راه‌اندازی می‌شوند. این تکنیک که در سیستم‌های پایش و کنترل صنعتی ما نیز به‌کار رفته، سدی غیر قابل نفوذ در برابر نویز ایجاد می‌کند.

• پردازش آنالوگ با نویز نزدیک به صفر: در بخش گیرنده، از یک تقویت کننده کم نویز (LNA) با پهنای باند کاری ۱۰ مگاهرتز استفاده شده است. این بخش به همراه فیلتر های میان گذر طراحی شده روی PCB، سیگنال های ضعیف دریافتی را پیش از ورود به ADC میکروکنترلر تقویت می‌کند تا حداکثر دقت در پردازش داده های اثر داپلر حفظ شود.

• طراحی PCB فرکانس بالا: با توجه به لبه های تیز پالس های مربعی در فرکانس های تا ۱۰ مگاهرتز، طراحی PCB با رویکرد «طول مسیر حداقل» و «حذف زوایای تند» انجام شد. این تکنیک ها، مطابق استاندار هایی که در توسعه محصولات الکترونیکی با فرکانس بالا رعایت می‌کنیم، اثرات سلفی و خازنی پارازیتی را که می‌توانند شکل موج را تخریب کنند، به حداقل می‌رساند. همچنین برخی از تکنیک های استفاده از وایا استیچینگ و … با محاسبه فرکانس کاری سیستم و سایر موارد در طراحی PCB این پروژه رعایت گردیده است.

• تجمیع تغذیه سیستم و طراحی برای تولید: برخلاف طراحی های رایج، مدار کاهنده ولتاژ برای تأمین تغذیه پایدار و کم نویز میکروکنترلر نیز بر روی همین برد تعبیه شده است. این تجمیع، پیچیدگی نصب نهایی را کاهش داده و در کنار مواردی همچون رعایت سهولت مونتاژ و دمونتاژ، انتخاب قطعات متداول بازار و … از برخی رویکرد های مهندسی برای تولید (DFM) در این پروژه است.

این سیستم یک راهکار دو طرفه (Transceiver) با عملکرد بالا تا ۱۰ مگاهرتز است که با مدیریت هوشمند توان (تا ۷۲ ولت) و بهره گیری از مدارات LNA، نویز های الکترومغناطیسی را به حداقل رسانده است. استفاده از ایزولاسیون اوپتیکی مسیرهای قدرت و رعایت دقیق اصول طراحی PCB فرکانس بالا، این ماژول را به یک برد درایور اولتراسونیک استاندارد قابل اتکا در تکنولوژی‌های اندازه‌گیری دقیق و فلومترهای صنعتی مبتنی بر اولتراسونیک تبدیل کرده است که در پروژه های مختلف دانشگاهی و صنعتی مورد استفاده عملی قرار گرفته است.