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超声波,发生电路分析.docx
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超声波在气体、液体及固体中以不同速度传播,定向性好、能量集中、传输过程
中衰减较小、反射能力较强。超声波能以一定速度定向传播、遇障碍物后形成反
射,利用这一特性,通过测定超声波往返所用时间就可计算出实际距离,从而实
现无接触测量物体距离。超声波测距迅速、方便,且不受光线等因素影响,广泛
应用于水文液位测量、建筑施工工地的测量、现场的位置监控、车辆倒车障碍物
的检测、移动机器入探测定位等领域。本文设计的数字式超声波测距仪通过对超
声波往返时间内输入到计数器特定频率的时钟脉冲进行计数,进而显示对应的测
量距离。
一.超声波发生电路
图 1 为超声波发生电路。双定时器 EN556(U2b)组成单稳态触发器。R6 和 C6
构成微分电路,其作用是:当按键 S2 按下时,低电平变成正负尖顶脉冲,经过
VD1 得到负尖顶脉冲,触发单稳态触发器翻转。单稳态翻转输出的高电平持续
约 1ms,即 tw≈1.1R5C5≈1ms。EN556(U2n)组成多谐振荡器,振荡频率 f1=1
/T1≈1/{0.7[(R1+R2)+2(R3+R4)]C3≈40kHz。该振荡器振荡受单稳态触发器
输出电平控制。当单稳态触发器输出高电平时,多谐振荡器产生振荡,EN556
的引脚 5 输出约 40 个频率为 40kHz、占空比约 50%的矩形脉冲。考虑到多谐
振荡器起振阶段不稳定,因此设计输 m 脉冲数较多。若输出脉冲数太少,则发
射强度小,测量距离短。但脉冲数过多,发射持续时间长,在距离被测物较近时,
脉冲串尚未发射完,这样导致先发射出的脉冲产生的回波将到达接收端,影响测
距结果,造成测距盲区增大。74HC04(U1)的 U1a~U1e 组成超声波脉冲驱动电
路,可提高驱动超声波发送传感器的脉冲电压幅值,有效进行电/声转换,增强
发射超声波的能力,增大测量距离。40kHz 脉冲串的一路经 U1a 反相,再经由
U1b 和 U1e 并联的反相器反相;其另一路经南 U1c 和 U1d 并联的反相器反相。
图 1 超声波发生电路
这样,施加在超声波发送传感器两端上的 2 路脉冲电压相位相反,使超声波发
送传感器两端上的脉冲电压峰一峰值提升近电源电压的 2 倍,输出功率提高 4
倍。2 个 CMOS 门并联可增大输出驱动电流。电容 C1 用于隔直流,避免直流电
压长时间施加到超声波传感器,造成超声波传感器绝缘电阻下降,导致超声波传
感器性能降低。
二.超声波接收放大和整形电路
超声波接收放大和整形电路如图 2 所示。
图 2 超声波放大和整形电流
超声波接收传感器将收到的返回超声波转成微弱电信号,经 CX20106A 放大、
整形后,输出负脉冲电压。CX20106A 是红外线遥控接收器,其内部由前置放大、
带通滤波、检波和波形整形等电路组成。通过外接电阻,将其内部带通滤波电路
的中心频率 f0 设置为 40kHz,就可接收和放大超声波电信号,并整形输出负脉
冲电压。该器件的引脚 1 是超声波电信号输入端,引脚 2 与地之间连接 RC 串联
网络,这是内部前置放大电路负反馈网络的组成部分,改变电阻 R8 的数值则改
变前置放大电路的增益。引脚 3 与地之间连接检波电容 C9,适当改变 C9 就可
改变超声波电信号放大和整形电路的灵敏度和抗干扰能力。引脚 5 与电源间接一
只电阻,用以设置内部带通滤波电路的中心频率 f0。当 R9=200kΩ 时,f0=40kHz。
引脚 6 与地之间接一只积分电容 C10 标准值为 330pF。如果该电容值取得太大,
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