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超声波测距系统接收电路研究

发布时间:2020-07-21 18:03:19 阅读: 来源:加料机厂家

摘要:介绍了超声波测距系统原理,针对超声波测距系统中常用的40 kHz超声波信号,提出了超声波接收电路设计原则,采用了集成运放OP27构成的同相放大器、仪表放大器、CX20106A红外接收芯片3种方案来检测超声波信号,设计了3种方法对应的接收电路,分析了各自的特点。关键词:超声波测距原理;超声波接收电路;同相放大器;仪表放大器;CX20106A超声波是指振动频率高于20 kHz的机械振动,其指向性好,能量集中,穿透能力强,在传输过程中衰减较小等优点,同时具有光的反射、折射、聚焦等一系列特征。超声波检测具有速度快、成本低、精度高、可操作性强、工作稳定,适合短距离测量定位。因此其在生产,科研,生活等方面有着非常广泛的应用。超声波测距具有实时,不受环境干扰,非接触等一系列优点。在超声波测距系统中,系统采用频率为40 kHz的超声波信号,文中主要针对该频率的超声波信号接收电路进行设计。1 超声波测距原理超声波的测距原理如图1所示,超声波发射器在MCU控制下由B1向某一方向发射超声波,在发射的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物立即返回来,测距系统在B2接收到反射波就立即停止计时。在标准情况下,超声波在空气中的传播速度为340 m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离S,即:S=340t/2,声速确定后,要测得超声波往返的时间,即可求得距离,这就是超声波测距的基本原理。在超声波测距系统中,通常发射与接收探头之间有一定距离,为了提高测量精度,需要考虑图l中指示夹角θ。其中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数,当需要测量的距离H远远大于L时,则(4)变为:。所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H。

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2 超声波接收电路设计原则在信号检测处理整个过程中,超声波探头接收的信号非常微弱,只有毫伏级,其不可避免地要受到各种干扰的影响,这必定给信号处理带来困难。为了确保检测信号的准确性,超声波接收电路的设计必须注意:1)接收电路必须是低噪声的放大器,因其身的就是一个噪声源,而前端输出的信号很小可能淹没在放大器的噪声中。2)连接接收电路与超声波接收探头时注意阻抗匹配。3)接收电路应具有足够的带宽和增益。3 超声波接收电路3.1 同相放大器同相放大器构成的超声波接收电路如图2所示,在电路中,放大部分采用的是低噪声运放OP27由构成的同相放大器,由于接收到的信号幅度为毫伏级,所以需要将其放大500倍使得其接收到的信号不会被干扰信号给掩盖。在第一级的放大电路中,R2取值为470 kΩ,R1取值为10 kΩ;在第二级放大电路中,R6的取值为100 kΩ,R5的取值为10 kΩ;平衡电阻R3和R4为平衡电阻,取值均为10 kΩ。第一、二级放大增益:由(5)、(6)式知超声波接收电路增益为:Af=Af1·Af2=528

电路特点:1)电路输入阻抗为达数十MΩ,输出阻抗只有数十Ω,其带负载能力较强。2)电路抑制干扰能力较差,温漂严重。3)电路采用低噪声运放OP27,在一定程度上降低了放大器自身噪声,但同时也限制电路的带宽,在电路增益为500时,带宽为60 kHz。3.2 仪表放大器仪表放大器是精密差动电压放大器,其源于运算放大器,但优于运算放大器,其独特的性能使其在传感器信号放大、数据采集、精密电子仪器设备、医疗仪器等方面广泛被采用。仪表放大器构成的超声波接收电路如图3所示,其有两部分构成,第一级由A1、A2组成,均采用高阻抗同相输入形式且结构对称,使得电路的漂移和失调都有互相抵消的作用;第二级由A3组成差动放大电路,同样具有很高的共模抑制比、极高的输入阻抗,与前级匹配。电阻R1=R2、R3=R4、R5=R6,调节Rp的电阻值,即可调节放大倍数,在A1和A2可增设调零电位器VR1和VR2,电路差模电压增益为:Au=R5/R3,(1+2R1/Rp)由上式仪表放大器的增益即可由电阻R1、R3、R5预置,也可根据需要通调节Rp设置仪表放大器的增益。

核心器件可选用的集成运放相当多,在选用运放时,首先应选用低噪声、输入失调电流小、共模抑制比的运放;A1、A2运放的特性尽可能一致,电路采用了OP-07。电阻、电容的确定,在低噪声电路中,电阻选用低温度系数的电阻精密金属膜电阻,以获得尽可能低的漂移其噪声指数可达到0.2~1μV。放大器的放大倍数Au我们设定为10~10 000可调,根据Au=R5/R3(1+2R1/VR),选取R1=R2=10 kΩ,R3=R4=2 kΩ,R5=R6=20 kΩ,Rp=10 kΩ足以满足Au。电路中的C主要滤除信号中的高频干扰成分,采用用云母电容或瓷片,均可降低电路噪声。电路特点:1)电路具有抗共模干扰,抑制温漂功能。2)具有低噪声、高输入阻抗、低线性误差、高共模抑制比、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点。3)具有增益100~1 000可调,带宽达到100 kHz,集成运放改用宽带集成运放可提高接收电路响应带宽。3.3 CX20106A构成接收电路超声波接收集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片,常用于电视机红外遥控器。因红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近,可以利用它制作超声波检测接收电路。CX20106A构成的超声波接收电路如图4所示,该电路主要有集成电路CX20106A和超声波探头构成,其利用CX20106A做接收电路载波频率为38 kHz;通过适当的改变C3的大小,可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

工作原理:CX20106A集成芯片是集放大、限幅、带通滤波、峰值检波和波形整形电路为一体的芯片。当超声波接收探头接收到超声波信号时,压迫压电晶体做振动,将机械能转化成电信号,由红外线检波接收集成芯片CX20106A接收到电信号后,对所接信号进行识别,若频率在38~40 kHz左右,则输出为低电平,否则输出为高电平。电路特点:1)CX20106A输出的是电平信号,只能对标准距离作定性的判断,不能作为定量距离测量。2)CX20106A芯片外电路结构简单,使用简洁方便,价格低廉。3)CX20106A芯片中的滤波器为带通,带宽较窄,限制了噪声,但同时也限制了自身接收信号频率范围。4)具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力,适当调节电容C3的大小,可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。4 结论超声波测距系统中,接收电路是核心电路。超声波接收电路直接决定了测距系统所测的数据准确度,在设计电路时,需调整部分分立元件的参数,以保证电路准确性。文中采用了同相放大器、仪表放大器、CX20106A 3种方案作为超声波接收电路,分析了3种方案的性能和特点。实验证明同相放大器、仪表放大器、CX20106A构成的超声波接收电路均适合超声波测距系统。

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