Stap 4: Controleren of de schema's vertrouwd te raken met het ontwerp van de range finder (vervolg)
Ontwerp van de ontvanger
Het ontwerp van de ontvanger is aanzienlijk gecompliceerder dan het ontwerp van de zender. Er zijn verschillende circuit aanpassingen verstrekt, zodat de versterkers kunnen opnieuw worden geconfigureerd voor verschillende soorten ontvangers (vertraging, doppler, storing, enz). Ik zal betrekking hebben op alleen het vertraging ontvanger type in dit artikel om het te houden zo kort als praktische.
Het "Eenvoudige Sonar" voorbeeld hierboven wordt beschreven wat de zender en de ontvanger proberen te doen. Een echografie wavefront doorgegeven van de zender, stuitert off van een doel, en wordt ontdekt door de ontvanger. Door het meten van de tijd van de heen-en terugreis tussen het begin van de transmissie en de gedetecteerde reflectie, en vergelijkt die met de voortplanting kan geluidssnelheid, de afstand tussen de zender en doel worden berekend. De formule is:
Afstand = (Round Trip-tijd / 2) * snelheid van propagatie
In de echte wereld is het probleem echter veel ingewikkelder zoals geïllustreerd in het voorbeeld "Complexe Sonar". Ik zal niet dwingen je door middel van een strenge uitleg van de ontvanger ontwerp wiskunde, maar hieronder zijn slechts enkele van de parameters die moeten worden overwogen:
1. de echografie zender minimaal vermogen en dispersie hoek
2. echografie ontvanger gevoeligheid
3. minimale detector signaal drempel
4. doel reflectiecoëfficiënt
5. afstand, dichtheid van de lucht, en Air Flow effecten op geluid demping
6. temperatuur, vochtigheid en hoogte effecten op de voortplanting snelheid
7. tijd vertraging en signaal sterkte effecten van meerdere paden interferentie
De ontvanger gepresenteerd in dit artikel werd ontworpen om een grote, onbelemmerd, stationaire doel op een maximale afstand van 10 voeten, en kleinere doelen op een maximale afstand van 6 voet te ontdekken. De werkelijke afstanden gemeten kunnen worden is afhankelijk van hoe groot het doelwit is, hoe reflecterende het doelwit is, hoe snel het doel wordt verplaatst, hoe veel belemmeringen bestaan tussen de sensor en de doelstelling, en in mindere mate hoe actief de lucht is tussen de sensor en de doelstelling.
De ultrasone omvormers gebruikt (RT1 en XT1) zijn piëzo-elektrische apparaten die zijn geoptimaliseerd om vorm van ether wijzigen wanneer een spanning wordt toegepast (zender transducer) of een spanning bij aanrijding door ultrasone geluidsgolven (ontvanger transducer) produceren. Beide apparaten gebruiken kwarts kristallen die reactieve eigenschappen vertonen wanneer energiek door een AC-signaalbron. Het gelijkwaardig circuit voor elk is een parallelle resonant RLC-circuit met 2400pF capaciteit, 6.6mH zelfinductie en 1600 Ohm weerstand. De transducer ontvanger heeft een oppervlakte van minder dan 1cm ^ 2 en een gevoeligheid van 398uV per Wabar geluidsdruk. Zullen we een versterker met een ingangsimpedantie minstens 5 X de transducer impedantie te vangen zo veel van de spanning van het signaal mogelijk, en de versterker moet zeer hoge winst zodat de kleine transducer spanningen kunnen worden vergroot genoeg om iets nuttigs doen.
De berekeningen gedaan bijvoorbeeld de "Complexe Sonar" geven aan dat een minimale versterker winst van 2500 is voldoende om te voldoen aan de doelstellingen van de gevoeligheid. Het is niet praktisch om te bouwen van een ééntraps-versterker met een winst van 2500 dus in plaats daarvan twee fasen met een winst van 50 worden gebruikt. De eerste fase is geconfigureerd als een 40 KHz Carrier versterker met een winst van 50. De tweede fase is geconfigureerd als een Limiter, ook met een winst van 50. De winst van de vervoerder versterker en Limiter vermenigvuldigen voor de productie van de totale winst van 2500. Als nodig, elke versterker etappe-winst kan worden verhoogd of verlaagd (30 minimum, 100 aanbevolen maximum) afhankelijk van de de ontwerpdoelstellingen van de ontvanger. Het doel van de begrenzer zal later worden verklaard.
De ontvanger ontwerp maakt gebruik van operationele versterkers te bereiken van hoge prestaties in een beperkte ruimte terwijl nog het houden van de "analoge" esthetiek van het project. Er zijn veel verschillende soorten Op-Amps drukmeter om bij bijna elk doel. Één IC kiezen uit een zeer lange lijst kan lastig zijn, maar door het kwantificeren van de belangrijkste prestatieparameters van het circuit dat u wilt bouwen, kan de lijst drastisch worden verkort.
1. de ontvanger circuit is bedoeld voor een interne voedingsspanning van + 5V. Dus een goede opamp voor dit ontwerp een geoptimaliseerd voor een enkele eindigde leveren (2.5V tot + 24V is) en spoor-naar-spoor Output (0.1V tot + 4.99V).
2. de ontvanger circuit moet hoge winst bij hoog signaal frequentie opgeven. Zo vergt een goede opamp voor dit ontwerp een hoge winst bandbreedte product, en een hoge slew rate.
Doodde tarief in volt / ons = 2 * pi * frequentie * Vp *.000001
Krijgen van de bandbreedte Product = frequentie * krijgen
Vervanging van de bekende circuit parameters: frequentie = 40.000 Hz, Vpp = 5V, Max Gain per fase = 100
Doodde tarief = 2 * pi * 40000 * 5 *.000001 = 1.26V / ons
Krijgen van de bandbreedte Product = 40000 * 100 = 4,000,000 Hz of 4MHz
3. de versterkers zijn standaard ontwerpen die op een gereglementeerde toevoer, werken zal zodat Power Supply afwijzing en Common Mode Rejection niet kritisch zijn en kunnen worden rond 80db, hetgeen typisch voor vele Op-Amps is omkeren.
4. er zijn dat twee etappes in dit ontwerp krijgen en het PCB moet redelijk klein, dus een dubbele opamp in een 8-pins-pakket het beste zou zijn.
Als de ontwerper van een analoge ben ik enigszins gedeeltelijk aan TI producten zodat de uitkomstmaten boven aangaan met hun productwebsite de lijst tot 6 kandidaten verkort. Één opamp stond als een uitstekende keuze wat betreft functies en kosten:
TI LM6132 Dual Low Power 10 MHz spoor-naar-Rail operationele versterker
De specificaties voor deze chip overschreden de benodigde parameters. De trade-off is dat de LM6132 alleen hoge impedantie ladingen (10K is aanbevolen) kunnen rijden. Maar in alle andere opzichten, het is een goede keuze.
Het LM6132 wordt bediend met een honkslag + 5V voeding, zodat de versterker een ingangsspanning DC bias zijn moet om de uitvoer naar de gewenste DC spanning compenseren. Instelbare spanning dividers R9/R10 en R15/R16 bieden de bias spanning met de niet-inverterende ingang (pin 3 en 5) van elk opamp. De bias spanning op de niet-inverterende ingang verhoogt, wordt de offset uitgangsspanning. Verminderen van de bias spanning op de niet-inverterende ingang vermindert de offset uitgangsspanning. Condensatoren C4 en C6 voorkomen hoge frequentie power supply lawaai dat de opamp output kan aantasten.
De LM6132 data sheet raadt een weerstand van de belasting van 10K doodde tarief specificaties, dus een 10K-ingangsimpedantie werd gekozen voor beide versterkers via R8 en R14 te bereiken van de uitgang-swing. Dit voldoet ook aan de ontwerpdoelstelling van een ingangsimpedantie ongeveer 5 X de ontvanger transducer impedantie eerder is besproken. De standaardformule voor een opamp inverterende versterker gewin (A) is:
A = - Rf / Rin waar Rf is de weerstand van de feedback en Rin is de input weerstand.
Echter voor een maximale etappe-winst van 100, de Rf waarde zou moeten worden 1Meg Ohm. Ik liever niet willen gebruiken weerstanden meer dan 100K in feedback circuits en vooral niet 1Meg rietenknipper weerstanden. Ze zijn extreem lawaaiige en moeilijk aan te passen. Dus in plaats daarvan voor versterkers met grote winsten beveel ik het gewijzigde tee feedback configuratie geïllustreerd in de schematische ontvanger. Deze terugkoppeling is stiller dan de eenvoudiger 1Meg rietenknipper ontwerp en is makkelijker aan te passen. De formule van de winst met behulp van de eerste fase als in het voorbeeld is:
A = R11/R8 * (2 + R11/R13)
Wanneer 33K Ohm rietenknipper weerstand R13 ingesteld, wordt wordt de opamp winst vastgesteld op 50. Weerstanden R17, R18 en snoeischaar weerstand die R19 het tweede decor krijgen dezelfde manier.
Om te scheiden van het signaal verzonden vervoerder van externe en interne ruis, wordt een fase-vergrendeld-Loop Toon decoder IC (TI LM567) gebruikt voor de vervoerder Detector. De uitgang van de detector is een actieve laag digitale Carrier Detect (CD) signaal dat gemakkelijk is geïnterfacet aan een micro-controller. Het gegevensblad van de LM567 geeft aan dat de ingangsimpedantie in Pin 3 40K Ohm, oftewel meer dan hoog genoeg te houden van de LM6132 Limiter output in spec. Zoals aanbevolen in het gegevensblad van de LM567, condensator C7 loskoppelt de DC-uitgang van de begrenzer van invoer Pin 3 en condensator C11 helpt verzekeren een lawaai gratis voeding op Pin 4. De PLL oscillator frequentie wordt gedefinieerd door de volgende vergelijking:
F = 1 / (1.1 * R * C)
Opmerking: Fabrikanten verschillen op deze vergelijking dus zorg om het gegevensblad.
Er zijn veel verschillende waarden die kunnen worden gebruikt voor R en C. Ik had een bos van .02uF schijf condensatoren in voorraad, dus heb ik besloten om een van hen te gebruiken. Het herschikken van de vergelijking van de frequentie op te lossen voor R bij C heet resultaten in:
R = 1 / (1.1 * F * C)
De bekende waarden vervangen: F = 40000 Hz, C =.00000002 F
R = 1 / (1.1 * 40000 *.000000002) = 1136 Ohm
Dus voor de LM567 PLL oscillator, C10 is een condensator van .02uF en R20 is een 5K Ohm trimmer aangepast aan 1136 Ohm.
Voor de juistheid, op korte afstand moet de vervoerder Detector lock op de pols van de teruggekaatste echografie in het minste aantal cycli. Het gegevensblad aangeeft dat de lus bandbreedte en uitvoer filteren LM567 spelen een rol in het reactievermogen van de uitgang van de detector. Verwijzend naar de grafieken in het gegevensblad, instellen van de waarde voor C9 op .01uF staat de LM567 te lock op de echografie pols binnen 20 cycli (500uS) maar plaatst de lus filter-bandbreedte bij 14% (die hoger zijn dan gewenst is maar een aanvaardbare handel). Het gegevensblad beveelt aan dat de waarde van C8 tweemaal de waarde van C9 dus een waarde van .02uF werd gekozen voor C8. De LM567 uitgang dat pin 8 is een actieve laag open collector transistor waarvoor een externe pull-up weerstand. Een 10K Ohm pull-up weerstand R21 is opgenomen voor het gemak maar de interne pull-up-functie op de Raspberry Pi of Arduino i/o in plaats daarvan kunnen worden gebruikt.
Merk op dat de tweede fase van de versterker wordt aangeduid als een Limiter frequentiebanden te versterken. Dit circuit is bijna identiek aan de vervoerder versterker met één uitzondering: de bias ingangsspanning wordt zo aangepast dat de verschuiving van de uitvoer 0V is wanneer geen signaal wordt gevonden. De reden hiervoor heeft te maken met ultrasone omgevingslawaai waardoor valse triggering van de Detector van de vervoerder. Zwak geluid maken veel geluidsbronnen hoorbaar (breuk van uw vingers, kokend water, metalen vormgeven, enz.) in het ultrasone spectrum. Deze ruis kan leiden tot de LM567 voor het genereren van korte uitbarstingen van activiteit, zelfs wanneer de zender niet ingeschakeld. Met zorgvuldige aanpassing van de begrenzer, kan achtergrondgeluiden worden verwijderd uit de Detector input zodat de Detector uitgang alleen triggers wanneer ultrasone metingen worden gedaan.
