Analog ultraljud Range Finder (4 / 9 steg)

Steg 4: Granska scheman att bli bekant med avståndsmätare design (forts.)

Utformningen av mottagare

Utformningen av mottagare är betydligt mer komplicerat än sändaren design. Det finns flera krets justeringar så att förstärkarna kan konfigureras för olika typer av mottagare (tidsfördröjning, doppler, interferance, etc). Jag kommer att omfatta endast den tidsfördröjning mottagare typ i den här artikeln för att hålla det så kort som praktiska.

"Enkel Sonar" exemplet ovan beskriver vad sändare och mottagare försöker göra. Ett ultraljud wavefront propagerar från sändaren, studsar bort av ett mål, och upptäcks av mottagaren. Genom att mäta rundresa tiden mellan början av överföring och upptäckta reflektion, och att jämföra det fortplantning kan hastighet av ljud, avståndet mellan sändare och målet beräknas. Formeln är:

Avståndet = (tur och retur tid / 2) * hastighet av förökningen

I den verkliga världen, men är problemet mycket mer komplicerade som illustreras i exemplet "Komplexa Sonar". Jag kommer inte att tvinga dig genom en noggrann förklaring av mottagare design matematik men är nedan bara några av de parametrar som måste beaktas:

1. ultraljud sändaren minsta kraft och spridning vinkel

2. ultraljud mottagare känslighet

3. minsta detektor signal tröskel

4. målet reflektionskoefficienten

5. avstånd, lufttätheten, och Air Flow effekter på ljud dämpning

6. temperatur, luftfuktighet och höjande effekter på förökning Velocity

7. tid försening och signal styrka effekter av multi-path störningar

Mottagaren presenteras i denna artikel var för att upptäcka en stor, fri, stillastående mål på ett maximalt avstånd av 10 fot, och mindre mål på ett maximalt avstånd av 6 fot. De verkliga avståndet som kan mätas beror på hur stora målet är, hur reflekterande målet är, hur snabbt målet rör sig, hur många hinder det finns mellan sensorn och målet, och i mindre utsträckning hur aktiv är luften mellan sensorn och målet.

Ultraljudssensorer används (RT1 och XT1) är piezoelectric enheter som optimerats för eter ändra form när en spänning är tillämpas (sändare givare) eller producera en spänning när den träffas av ultraljud ljudvågor (mottagare givare). Båda enheterna använder kvartskristaller som uppvisar reaktiva egenskaper när strömförande av en AC signalkälla. Motsvarande kretsen för var och en är en parallell resonant RLC-krets med 2400pF kapacitans, 6.6mH induktans och 1600 ohm motstånd. Mottagare givaren har en yta på mindre än 1cm ^ 2 och en känslighet på 398uV per ubar ljudtrycksnivå. Vi behöver en förstärkare med inimpedans minst 5 X givare impedans att fånga så mycket av signalspänning som möjligt, och förstärkaren behöver mycket hög förstärkning så att små givare spänningar kan förstoras tillräckligt för att göra något nyttigt.

Beräkningarna för exemplet "Komplexa Sonar" anger att en minsta förstärkare vinst på 2500 är tillräckliga för att uppfylla mål som känslighet. Det är inte praktiskt att bygga en enstegs förstärkare med en vinst på 2500 så istället två etapper med en vinst på 50 används. Den första etappen är konfigurerad som en 40 KHz Carrier förstärkare med en vinst på 50. Den andra etappen är konfigurerad som en Limiter, också med en vinst på 50. Vinst för transportören förstärkare och Limiter multiplicera för att producera systemets totala vinst för 2500. Om nödvändigt, varje förstärkare etapp vinst kan vara ökat eller minskat (30 minst, 100 rekommenderade största) beroende på att mottagaren designmål. Syftet med inlemmat kommer att förklaras senare.

Utformningen av mottagare använder operativa förstärkare för att uppnå hög prestanda i ett begränsat utrymme medan du fortfarande håller den "analoga" estetisk av projektet. Det finns många olika typer av Op-förstärkare som passar nästan alla ändamål. Att välja en IC från en mycket lång lista kan vara en utmaning, men genom att kvantifiera de viktigaste prestandaparametrar av den krets du vill bygga, listan kan kortas dramatiskt.

1. mottagaren circuit är avsedda för en enda Matningsspänning av + 5V. Så en bra Op-förstärkare för denna design är en optimerad för en enda slutade leverera (+ 2.5V till + 24V) och järnväg-till-Rail utdata (+ 0.1V till + 4.99V).

2. mottagaren krets måste ge hög förstärkning på hög signal frekvens. Så behöver en bra Op-förstärkare för denna design en hög vinst bandbredd produkt, och en hög slew rate.

Dräpte takt i volt / oss = 2 * pi * frekvens * Vp *.000001

Få bandbredd produkt = frekvens * få

Ersätta kända krets parametrar: frekvens = 40.000 Hz, Vpp = 5V, Max Gain per etapp = 100

Dräpte takt = 2 * pi * 40000 * 5 *.000001 = 1.26V / oss

Få bandbredd produkt = 40000 * 100 = 4,000,000 Hz eller 4MHz

3. förstärkare är standard Invertera mönster som kommer att verka på en reglerad tillförsel, så Power Supply avvisande och vanligt funktionslägekassering inte är kritisk och kan vara runt 80db vilket är typiskt för många Op-förstärkare.

4. det finns två få stadier i denna design och PCB måste vara tämligen små, så en dubbel Op-Amp i en 8-pin paketet skulle vara bäst.

Som en analog designer jag väl delvis TI produkter så in parametrarna target ovanför i deras produkt hemsida förkortade listan ner till 6 kandidater. En Op-Amp stod ut som ett utmärkt val när det gäller funktioner och kostnader:

TI LM6132 dubbla Low Power 10 MHz järnväg-till-Rail operationsförstärkare

Specifikationerna för detta chip överskred de nödvändiga parametrarna. Avvägningen är att LM6132 endast kan köra hög impedans laster (10K rekommenderas). Men i alla andra avseenden, det är ett bra val.

LM6132 drivs med en enkel + 5V strömförsörjning, så förstärkaren behöver en ingång DC bias spänning att ange utdata till önskad DC offset voltage. Justerbara spänningsavdelare R9/R10 och R15/R16 ger den bias spänningen till den icke-invertering ingången (stift 3 och 5) på varje Op-Amp. Ökar den bias spänningen till icke-invertering ingången ökar offset utspänningen. Minskar den bias spänningen till icke-invertering ingången minskar offset utspänningen. Kondensatorer C4 och C6 förhindra att hög frekvens makt leverans buller påverkar Op-Amp utdata.

Datablad LM6132 rekommenderar en laddamotståndet 10 k att uppnå utgång svingen och dräpte takt specifikationer, så en 10K inimpedans valdes för båda förstärkarna via R8 och R14. Detta uppfyller också design målet av en inimpedans ungefär 5 X mottagare givare impedansen diskuterats tidigare. Standardformeln för en Op-Amp inverterade förstärkare vinst (A) är:

A = - Rf / Rin där Rf är feedback resistorn och Rin är input motståndet.

För en maximal etapp vinst på 100, Rf värdet skulle emellertid vara 1Meg Ohm. Jag föredrar att inte använda motstånd över 100K i feedback kretsar och speciellt inte 1Meg trimmer motstånd. De är extremt bullriga och svårt att justera. Så istället för förstärkare med stora vinster rekommenderar jag modifierade tee feedback konfigurationen illustreras i mottagaren Schematisk. Denna feedback krets är tystare än den enklare 1Meg trimmer designen och är lättare att justera. Vinst formeln med den första etappen som exemplet är:

A = R11/R8 * (2 + R11/R13)

När trimmer resistor R13 justeras till 33K ohm, är Op-Amp vinsten satt till 50. Resistorer R17, R18 och trimmern resistor R19 ange den andra etappen vinna på samma sätt.

För att skilja den överförda bärsignal från inre och yttre buller, används en fas-låst-Loop ton avkodare IC (TI LM567) för transportören detektorn. Detektor utdata är en aktiv låg digitala Carrier Detect (CD) signal som lätt kopplats ihop till en mikro-controller. LM567 databladet anger att inimpedans Pin 3 40K ohm, vilket är mer än tillräckligt hög för att hålla LM6132 Limiter utdata i spec. Som rekommenderas i LM567 databladet, kondensator C7 decouples DC-utgång av inlemmat från input Pin 3 och kondensator C11 hjälper försäkra en buller gratis strömförsörjning på stift 4. PLL oscillator frekvensen definieras med följande formel:

F = 1 / (1.1 * R * C)

Obs: Tillverkare skiljer sig på denna ekvation så ska du kolla databladet.

Det finns många olika värden som kan användas för R och C. Jag hade en massa .02uF disk kondensatorer i lagret så jag beslutade att använda en av dem. Ordna om frekvens ekvationen att lösa för R när C är känt resultat i:

R = 1 / (1.1 * F * C)

Ersätta de kända värdena: F = 40000 Hz, C =.00000002 F

R = 1 / (1.1 * 40000 *.000000002) = 1136 ohm

Så för LM567 PLL oscillator, C10 är en .02uF kondensator och R20 är en 5K Ohm trimmer anpassas till 1136 ohm.

Noggrannhet på nära håll måste bärare detektorn låsa fast den reflekterade ultraljud pulsen i det minsta antalet cykler. LM567 datablad visar att loop bandbredd och produktionen filter spelar en roll i att reagera, detektor utdata. Hänvisning till grafer i databladet, ange värdet för C9 på .01uF tillåter LM567 att låsa på ultraljud pulsen inom 20 cykler (500uS) men sätter loop filtret bandbredd på 14% (vilket är högre än önskat men en godtagbar handel). Databladet rekommenderar att värdet av C8 vara dubbla värdet av C9 så ett värde av .02uF valdes för C8. LM567 utgång Pin 8 är en aktiv låg öppen kollektor transistor som kräver en extern pull-up resistor. En 10K Ohm pull-up resistor R21 har inkluderats för bekvämlighet men den interna pull-up funktionen på Raspberry Pi eller Arduino I/O kan användas i stället.

Observera att den andra etappen förstärkare kallas en förstärkande Limiter. Denna krets är nästan identisk med transportören förstärkaren med ett undantag: den input bias spänningen justeras så att utdata förskjutningen är 0V när ingen signal upptäcks. Anledningen till detta har att göra med ultraljud omgivningsbuller orsakar falsk aktivering av transportören detektorn. Många källor till hörbara brus (knäppa fingrarna, kokande vatten, metall formar, etc.) skapa svaga ljud i ultraljud spektrumet. Detta buller kan orsaka LM567 att generera korta skurar av aktivitet även när sändaren inte är aktiverad. Med noggrann justering av limitern, kan bakgrundsljud tas bort från detektorn ingång så att detektorn utgång endast utlösare när ultraljud mätningar görs.