Étape 4: Revoir les schémas afin de vous familiariser avec la conception de télémètre (suite)
Conception du récepteur
La conception du récepteur est nettement plus compliquée que la conception de l’émetteur. Il y a plusieurs ajustements de circuits fournis afin que les amplificateurs peuvent être reconfigurés pour différents types de récepteurs (temps de retard, doppler, interférence, etc.). Je vais aborder uniquement le type de récepteur de temporisation dans cet article afin du pour maintenir aussi court que possible.
L’exemple de « Simple Sonar » ci-dessus décrit ce que l’émetteur et le récepteur, essaient de faire. Une onde ultrasonore se propage de l’émetteur, rebondit sur une cible et est détecté par le récepteur. En mesurant le temps d’aller-retour entre le début de la transmission et la réflexion détectée et que comparer à la propagation, vitesse du son, la distance entre l’émetteur et la cible peut être calculée. La formule est :
Distance = (Round Trip Time / 2) * Vitesse de Propagation
Dans le monde réel, cependant, le problème est beaucoup plus compliqué, comme illustré dans l’exemple « Sonar complexe ». Je ne t’oblige pas à travers une explication rigoureuse du calcul de conception du récepteur, mais voici quelques-uns des paramètres qui doivent être considérés :
1. ultrasons puissance minimale et l’Angle de Dispersion
2. sensibilité du récepteur ultrasons
3. seuil de signal détecteur minimum
4. Coefficient de réflexion de cible
5. distance, densité de l’Air et les effets du flux d’Air sur l’atténuation du bruit
6. la température, l’humidité et élévation des effets sur la vitesse de Propagation
7. retard et signal force d’effets en temps de trajets multiples interférences
Le récepteur présenté dans cet article a été conçu pour détecter une cible large, vue dégagée, stationnaire à une distance maximale de 10 pieds et petites cibles à une distance maximale de 6 pieds. Les distances réelles qui peuvent être mesurés dépendent de la cible est de quelle taille, comment réfléchissant la cible est, combien de temps la cible se déplace, combien d’obstacles existe entre le capteur et la cible, et à un moindre degré d’activité, l’air est entre le capteur et la cible.
Les transducteurs ultrasoniques utilisés (RT1 et XT1) sont des dispositifs piézoélectriques qui sont optimisés pour modifier la forme éther lorsqu’une tension est appliquée (transducteur émetteur) ou de produire une tension lorsque frappé par ondes sonores ultrasoniques (transducteur récepteur). Les deux appareils utilisent des cristaux de quartz qui présentent des propriétés réactives lorsque alimenté par une source de signal AC. Le circuit équivalent pour chacun est un circuit résonnant parallèle de RLC avec capacité de 2400pF, 6.6mH inductance et la résistance de 1 600 Ohms. Le transducteur récepteur a une superficie de moins de 1cm ^ 2 et une sensibilité de 398uV par ubar de pression acoustique. Nous aurons besoin d’un amplificateur à impédance d’entrée au moins 5 X l’impédance du transducteur à capturer dans une grande partie de la tension du signal que possible, et l’amplificateur devra un gain très élevé alors que les tensions petit transducteur peuvent être grossies, assez pour faire quelque chose d’utile.
Les calculs faits par l’exemple « Complexe Sonar » indiquent qu’un gain de l’amplificateur minimale de 2500 est suffisant pour atteindre les objectifs de la sensibilité. Il n’est pas pratique construire un amplificateur monocellulaires avec un gain de 2500 pour remédier à cela deux étapes avec un gain de 50 sont utilisés. La première étape est configurée comme un amplificateur de 40 KHz transporteur avec un gain de 50. La deuxième étape est configurée comme un limiteur, également avec un gain de 50. Le gain de l’amplificateur de transporteur et limiteur se multiplient pour produire le gain du système total de 2500. Si nécessaire, chaque stade gain de l’amplificateur peut être augmenté ou diminué (minimum 30, 100 maximum recommandé) selon les objectifs de conception du récepteur. Le but du limiteur sera expliqué plus tard.
La conception du récepteur utilise des amplificateurs opérationnels à atteindre de hautes performances dans un espace limité, tout en conservant l’esthétique « analogique » du projet. Il y a beaucoup de différents types d’amplificateurs disponibles pour répondre à presque n’importe quel but. Peut être difficile de choisir un IC parmi une liste très longue, mais par la quantification des paramètres de performance les plus importants du circuit que vous voulez construire, la liste peut être réduite considérablement.
1. le circuit de réception est destiné à une seule alimentation de + 5V. Donc un bon ampli-Op pour cette conception est un optimisé pour une fourniture unique terminé (2, 5V à + 24V) et sortie Rail à Rail (+ 0, 1V à + 4.99V).
2. le circuit récepteur doit fournir un gain élevé à haute fréquence. Donc un bon ampli-Op pour cette conception a besoin d’un produit de bande passante d’un gain élevé et une vitesse de balayage élevée.
Tua taux en Volts / nous = 2 * pi * fréquence * Vp *.000001
Gain de bande passante produit = fréquence * gagner
Son remplacement par les paramètres du circuit connu : fréquence = 40 000 Hz, Vpp = 5V, Max Gain par stade = 100
Tua taux = 2 * pi * 40000 * 5 *.000001 = 1,26 / nous
Gain de bande passante produit = 40000 * 100 = 4 000 000 Hz ou 4MHz
3. les amplificateurs sont standards en inversant les conceptions qui travaillera sur une alimentation régulée, donc pouvoir fournir rejet et réjection de Mode commun ne sont pas critiques et peuvent être autour de 80 dB, ce qui est typique pour les amplificateurs beaucoup.
4. il y a que deux étapes dans cette conception de gain et le PCB doit être assez petit, donc un double ampli-Op dans un paquet de 8 broches serait meilleur.
Comme un designer analogique, je suis quelque peu partielle aux produits de TI afin d’entrer les paramètres cibles ci-dessus dans leur site Web les produits raccourcie la liste vers le bas pour 6 candidats. Un ampli-Op se détachait comme un excellent choix en ce qui concerne les caractéristiques et le coût :
LM6132 TI Dual Low Power amplificateur opérationnel de 10 MHz Rail à Rail
Les spécifications pour cette puce dépassaient les paramètres nécessaires. Le compromis est que le LM6132 peuvent conduire uniquement des charges à haute impédance (10K est recommandé). Mais à tous autres égards, c’est un bon choix.
Le LM6132 fonctionne avec un seul + alimentation 5V, donc l’amplificateur a besoin d’une tension d’entrée DC polarisation pour configurer la sortie au contrôleur de domaine souhaité compenser la tension. Diviseurs de tension réglables R9/R10 et R15/R16 fournissent la tension de polarisation à l’entrée non inverseuse (broches 3 et 5) de chaque ampli-Op. L’augmentation de la tension de polarisation à l’entrée non inverseuse augmente la tension de décalage de sortie. Diminution de la tension de polarisation à l’entrée non inverseuse diminue la tension de décalage de sortie. Condensateurs C4 et C6 empêchent le bruit de haute fréquence puissance d’alimentation n’affecte la sortie de l’ampli-Op.
La fiche de données de LM6132 recommande une résistance de charge de 10K à atteindre le swing de sortie et tua les spécifications de taux, donc une impédance d’entrée de 10K a été choisie pour les deux amplificateurs par R8 et R14. Cela répond aussi à l’objectif d’une impédance d’entrée à peu près 5 X l’impédance du transducteur récepteur discuté plus tôt. La formule standard pour un gain de l’amplificateur inverseur ampli-Op (A) est :
A = - Rf / Rin où Rf est la résistance de vos commentaires et Rin est la résistance d’entrée.
Toutefois pour un gain de stade maximal de 100, la valeur Rf devra être de 1 Ohm. Je préfère ne pas utiliser des résistances de plus de 100K dans les circuits de vos commentaires et surtout pas 1 tondeuse résistances. Ils sont extrêmement bruyant et difficile à régler. Ainsi, au lieu, pour les amplificateurs avec des gains importants, je recommande la configuration de vos commentaires mis à jour le tee illustrée dans le récepteur schématique. Ce circuit de retour est plus silencieux que la conception de tondeuse 1 plus simple et est plus facile à régler. La formule de gain à l’aide de la première étape que l’exemple est :
A = R11/R8 * (2 + R11/R13)
Lorsque le potentiomètre résistance R13 est ajusté à 33K Ohms, le gain de l’amplificateur opérationnel est fixé à 50. Résistances R17, R18 et tondeuse résistance que R19 préparer un deuxième gain de la même manière.
Afin de séparer le signal de la porteuse transmissible de bruits externes et internes, un décodeur de tonalité de Phase-Locked Loop IC (TI LM567) est utilisé pour le détecteur de transporteur. La sortie du détecteur est un actif faible détection de porteuse (CD) signal numérique qui est facilement relié à un micro-contrôleur. La feuille de données LM567 indique que l’impédance d’entrée dans la broche 3 est 40K Ohms, qui est plus que suffisamment élevée pour garder la sortie LM6132 limiteur de spec. Comme recommandé dans la feuille de données LM567, condensateur C7 découple la sortie C.C. du limiteur d’entrée n ° 3 broches et condensateur C11 contribue à assurer une alimentation libre de bruit à la broche 4. La fréquence de l’oscillateur PLL est définie par l’équation suivante :
F = 1 / (1.1 * R * C)
Remarque : Les fabricants diffèrent sur cette équation, donc n’oubliez pas de vérifier la feuille de données.
Il existe de nombreuses valeurs différentes qui peuvent servir pour R et C. J’ai eu un tas de condensateurs de disque de .02uF dans l’inventaire alors j’ai décidé d’utiliser l’un d’eux. Réarrangeant l’équation de fréquence à résoudre pour R lorsque C est connu des résultats dans :
R = 1 / (1.1 * F * C)
Substituer les valeurs connues: F = 40000 Hz, C =.00000002 F
R = 1 / (1.1 * 40000 *.000000002) = 1136 Ohms
Donc, pour l’oscillateur LM567 PLL, C10 est un condensateur de .02uF et R20 est un 5K Ohm chevêtre ajusté à 1136 Ohms.
Pour précision à courte portée, le détecteur de transporteur doit verrouiller sur l’impulsion ultrasonore réfléchie dans le plus petit nombre de cycles. Le LM567 fiche technique indique que la bande passante de boucle et la sortie du filtre jouent un rôle dans la réactivité de la sortie du détecteur. Se référant aux graphiques dans la feuille de données, définissant la valeur de C9 à .01uf permet la LM567 verrouiller sur le pouls de l’échographie dans 20 cycles (500uS) mais définit la bande passante filtre de boucle à 14 % (qui est plus élevé que vous le souhaitez mais un commerce acceptable). La feuille de données recommande que la valeur de C8 soit deux fois la valeur de C9 pour une valeur de .02uF a été choisie pour C8. La LM567 sortie que Broche 8 est un transistor collecteur ouvert basse active nécessitant une résistance pull-up externe. Une résistance de pull-up 10K Ohms R21 a été incluse pour la commodité, mais la fonction pull-up interne sur la Pi de la framboise ou Arduino e/s peut être utilisé à la place.
Notez que le deuxième étage de l’amplificateur est appelé un limiteur amplifier. Ce circuit est presque identique à l’amplificateur de transporteur à une exception près : la tension de polarisation d’entrée est ajustée pour que le décalage de sortie soit 0V lorsque aucun signal n’est détecté. La raison à cela a à voir avec le bruit dans l’environnement par ultrasons causant des déclenchements intempestifs du détecteur transporteur. Nombreuses sources de bruit audible (claquer des doigts, faire bouillir l’eau, façonnage métallique, etc.) créent son faible dans le spectre ultrasonique. Ce bruit peut causer la LM567 générer des éclats courts d’activité même si l’émetteur n’est pas activé. Avec un réglage judicieux du limiteur, bruit de fond peut être retiré le détecteur d’entrée afin que le détecteur de sortie seuls les déclencheurs lorsque sont prises les mesures par ultrasons.
