13超聲波測距儀的設(shè)計與調(diào)試——接收部分

1、超聲波傳感器的原理與應(yīng)用,主講教師：湯旭慧Addr：行政樓509或二工業(yè)中心418Tel：18923840618或26731194Mail：tangxh00@oa.szpt.net 或tangxh00@szpt.net,超聲波測距儀的設(shè)計與調(diào)試——接收部分,超聲波接收電路的基本工作原理選頻放大電路的設(shè)計波形變換電路的設(shè)計實訓(xùn)3：超聲波接收電路制作與調(diào)試,超聲波接收電路的基本工作原理,超聲波接收電路包括超聲波接

2、收探頭、信號放大電路及波形變換電路三部分。 由于經(jīng)接收頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經(jīng)選頻放大電路放大。正弦波信號不能直接被單片機(jī)接收，必須進(jìn)行波形變換。,選頻放大電路的設(shè)計,一、什么是選頻放大電路？ 是實現(xiàn)從多種頻率的輸入信號中，選取所需的一種頻率信號加以放大。如下圖所示的方框圖可以構(gòu)成選頻放大電路： 其中,方框K是基本放大電路，方框F是選頻負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，因此，選頻放大

3、器實質(zhì)上是一種具有選頻作用的負(fù)反饋電路。電路的閉環(huán)增益為： KF=K/(1+F·K) 式中：K=UO/Ui是開環(huán)增益 F=UF/UO是反饋系數(shù),選頻放大電路的設(shè)計,二、如何實現(xiàn)選頻？ 一般用RC選頻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)選頻。圖(b)為反饋系數(shù)F隨頻率f的變化曲線（頻率特性）： 當(dāng)f=fo時，則F=0。所以，對諧振頻率fo來說，放大電路不存在負(fù)反饋，故KF=K，此時

4、放大器的輸出電壓最大。 隨著頻率遠(yuǎn)離fo,F就急速地增加，相應(yīng)的KF也很快衰減至零，如圖(C)。因而，偏離fo點的其它無用頻率的輸出電壓也就很小很小了。至于KF的衰減快慢，主要是取決于反饋網(wǎng)絡(luò)的選頻特性。,一個典型的選頻放大電路,此電路可以看作是一個反饋回路并聯(lián)電容C12的反相比例放大電路。其傳輸函數(shù)為： 當(dāng)系統(tǒng)工作于特征頻率：時，輸出幅度最大。因此在特征頻率具有顯著的選頻特性。,,,超聲波接收

5、電路圖,,,,選頻放大部分,波形變換部分,波形變換電路的設(shè)計,本系統(tǒng)選用LM311構(gòu)成了具有滯回特性的比較器，對經(jīng)選頻放大后的正弦波信號進(jìn)行波形變換，實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，輸出矩形波脈沖，以滿足輸入單片機(jī)處理的要求。本電路在波形變換過程中有較強(qiáng)的抗干擾能力，可以有效的防止輸入信號有噪聲侵入。 通過合理調(diào)節(jié)電位器VR2，選擇比較基準(zhǔn)電壓，可使測量更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。 CD4049主要起緩沖、隔離的作用，減小L

6、M311輸出端上拉電阻對后續(xù)電路的影響。以便后續(xù)可靠地觸發(fā)單片機(jī)中斷。,實訓(xùn)3：超聲波接收電路的制作與調(diào)試,實訓(xùn)目的：理解選頻放大電路的工作原理和調(diào)試技巧。理解波形變換電路的工作原理。掌握超聲波接收電路的調(diào)試技巧。實訓(xùn)條件： 超聲波接收電路板及配套元件一套、超聲波發(fā)射頭，直流穩(wěn)壓電源一臺，示波器一臺，信號發(fā)生器一臺，直尺一把,實訓(xùn)3：超聲波接收電路的制作與調(diào)試,實訓(xùn)方法：一、測試選頻放大電路的幅頻

7、特性。步驟1：要求學(xué)生用萬能板按照如下電路圖焊制一個選頻放大模塊。步驟2：正確使用直流穩(wěn)壓電源，產(chǎn)生+12V、-12V電源信號，連接到選頻放大電路板上。示波器探頭置于電路輸出端。步驟3：將信號發(fā)生器的輸出端子接到選頻放大電路的輸入端。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器正確輸出峰峰值為5V、頻率在30K～50K范圍變化的正弦波信號，用示波器觀察輸出信號波形，記下的值。請按照如下表格設(shè)置的頻率數(shù)據(jù)要求進(jìn)行測試，總計測試30對數(shù)據(jù)。注意：要求測試每對數(shù)據(jù)

8、時，一定要首先用示波器準(zhǔn)確測試信號發(fā)生器輸出的信號頻率后，再接入測試系統(tǒng)，測試接收信號的電壓 （應(yīng)該在不失真情況下）。實訓(xùn)作業(yè)1：分析30對記錄數(shù)據(jù)，繪制輸出~f 關(guān)系曲線，分析并理解選頻放大電路的特點和工作原理，并得出此選頻放大電路的幅頻特性結(jié)論。,測試選頻放大電路的幅頻特性,測試選頻放大電路的幅頻特性,實訓(xùn)3：超聲波接收電路的制作與調(diào)試,二、利用對射檢測方式進(jìn)行測距：步驟1：要求學(xué)生按照電路圖將配套元件焊接到超聲波接收電路板上，

9、并連好線。注意依據(jù)“PCB設(shè)計中存在的問題”文檔中提示修正電路板。步驟2：信號發(fā)生器輸出端子接到超聲波傳感器發(fā)射頭的兩個輸入引腳，正確使用直流穩(wěn)壓電源，產(chǎn)生+12V、-12V、+5V等電源信號，并正確連接到接收電路板上；示波器探頭置于PD3/INT1測試點插針上。將發(fā)射頭對準(zhǔn)接收頭，準(zhǔn)備測試接收頭接收超聲波后產(chǎn)生的同頻信號電壓。步驟3：調(diào)節(jié)信號發(fā)生器能正確輸出峰峰值為2V、頻率為40K的方波信號；調(diào)試電路板，使選頻放大單元和波形變換

10、單元工作正常。配合示波器測試調(diào)節(jié)VR2使輸出合適的回波脈沖信號，以可靠觸發(fā)單片機(jī)中斷系統(tǒng)。步驟4：增大發(fā)射頭與接收頭間的測試距離，觀察輸出的回波信號，直到接收不到回波信號為止。用直尺測定發(fā)射頭與接收頭之間的距離，即為在輸入信號峰峰值為2V的情況下，超聲波傳感器可測試的最大探測距離。,實訓(xùn)3：超聲波接收電路的制作與調(diào)試,步驟5：按照如下表格設(shè)置改變信號發(fā)生器輸出方波信號的峰峰值，逐一測試超聲波傳感器可測試的最大探測距離D，并記錄，總計測

11、試下表所示20對數(shù)據(jù)。注意：測試每對數(shù)據(jù)時，必須先用示波器測試保證信號發(fā)生器輸出準(zhǔn)確幅度、頻率的方波信號后，再驅(qū)動發(fā)射頭，進(jìn)而測試最大探測距離D。實訓(xùn)作業(yè)2：分析20對記錄數(shù)據(jù)，繪制輸出D～關(guān)系曲線，得出驅(qū)動信號幅度與最大探測距離間的關(guān)系結(jié)論。,,,實訓(xùn)3：超聲波接收電路對射式測試,實訓(xùn)3：超聲波接收電路的制作與調(diào)試,三、利用反射檢測方式進(jìn)行測距：步驟1：固定信號發(fā)生器輸出驅(qū)動信號的峰峰值為10V。在前續(xù)設(shè)置好的實驗環(huán)境下，將發(fā)射

12、板的發(fā)射頭與接收板的接收頭整齊并行排列，使兩者間距固定（可將一擋板設(shè)置在發(fā)射頭和接收頭中間，以阻擋余波干擾）。另將一硬紙板放置到傳感器的對面，構(gòu)成反射式檢測環(huán)境。步驟2：在發(fā)射頭與接收頭間距R一定的條件下，由近到遠(yuǎn)移動硬紙板，直到不能檢測到回波信號為止，記錄最大的檢測距離D。由遠(yuǎn)及近移動硬紙板，直到檢測不到回波信號為止，記錄盲區(qū)距離d。步驟3：改變發(fā)射頭與接收頭間距，使之在6～12cm范圍變化，每次變化1cm，重復(fù)步驟2的實驗過程。