Paso 4: Revisar los esquemas para familiarizarse con el diseño del telémetro (continuado)
Diseño del receptor
El diseño del receptor es significativamente más complicado que el diseño del transmisor. Hay varios ajustes del circuito que los amplificadores pueden ser reconfigurados para diferentes tipos de receptores (retardo de tiempo, doppler, interferencia, etc.). Cubrirá solamente el tipo de receptor de tiempo de retardo en este artículo para mantener lo más corto posible.
El ejemplo de "Simple Sonar" anterior describe lo que el transmisor y el receptor están intentando hacer. Un frente de onda de ultrasonido se propaga desde el transmisor, rebota de un objetivo y es detectado por el receptor. Midiendo el tiempo de ida y vuelta entre el inicio de la transmisión y la reflexión detectada, y en comparación con la propagación se puede calcular la velocidad del sonido, la distancia entre transmisor y objetivo. La fórmula es:
Distancia = (tiempo de ida y vuelta / 2) * velocidad de la propagación
En el mundo real, sin embargo, el problema es mucho más complicado, como se ilustra en el ejemplo de "Sonar complejo". No forzar a través de una rigurosa explicación de los cálculos de diseño del receptor, pero a continuación son solo algunos de los parámetros que deben considerarse:
1. ultrasonido de potencia mínima del transmisor y ángulo de dispersión
2. ultrasonido sensibilidad del receptor
3. umbral de señal de detector mínimo
4. coeficiente de reflexión del objetivo
5. distancia, densidad del aire y los efectos del flujo de aire en la atenuación de sonido
6. temperatura, humedad y altitud efectos sobre la velocidad de propagación
7. hora demora y señal fuerza efectos de interferencia Multi-path
El receptor presentado en este artículo fue diseñado para detectar un objetivo grande, sin obstrucciones, inmóvil a una distancia máxima de 10 pies y objetivos más pequeños a una distancia máxima de 6 pies. Las distancias reales que se pueden medir dependen de cómo es grande el objetivo es, como reflexivo el objetivo es, cómo rápidamente el objetivo mueve, cuántos obstáculos existan entre el sensor y el objetivo, y en menor medida la actividad el aire entre el sensor y el objetivo.
Los transductores ultrasónicos utilizados (RT1 y XT1) son dispositivos piezoeléctricos que están optimizados para cambiar forma de éter cuando un voltaje es aplicado (transductor transmisor) o producen un voltaje cuando golpeado por ondas de sonido ultrasónicas (transductor receptor). Ambos dispositivos utilizan cristales de cuarzo que exhiben propiedades reactivas cuando está energizada por una fuente de señal de CA. El circuito equivalente para cada una es un circuito RLC resonante paralelo con una capacitancia 2400pF, 6.6mH inductancia y resistencia 1600 Ohms. El transductor receptor tiene una superficie de menos de 1cm ^ 2 y una sensibilidad de 398uV por ubar de presión sonora. Necesitamos un amplificador con impedancia de entrada por lo menos 5 X la impedancia del transductor para capturar tanto el voltaje de la señal como sea posible, y el amplificador tendrá ganancia muy alta para que los voltajes de pequeño transductor pueden magnificarse lo suficiente como para hacer algo útil.
Los cálculos para el ejemplo de "Sonar complejo" indican que un aumento mínimo del amplificador de 2500 es suficiente para cumplir los objetivos de la sensibilidad. No es práctico construir un amplificador de una etapa con una ganancia de 2500 así que en lugar de otro se utilizan dos etapas con una ganancia de 50. La primera etapa se configura como 40 KHz soporte amplificador con una ganancia de 50. La segunda etapa se configura como un limitador, también con una ganancia de 50. La ganancia del amplificador de portadora y limitador se multiplican para producir la ganancia total del sistema de 2500. Si es necesario, cada amplificador etapa ganancia puede aumentar o disminuir (mínimo 30, máximo recomendado 100) depende de la los objetivos de diseño del receptor. El propósito del limitador se explicará más adelante.
El diseño del receptor utiliza amplificadores operacionales para lograr un alto rendimiento en un espacio limitado mientras se mantiene la estética "analógica" del proyecto. Hay muchos tipos de amplificadores operacionales disponibles para casi cualquier propósito. Puede ser difícil elegir un IC de una lista muy larga, pero mediante la cuantificación de los parámetros más importantes del funcionamiento del circuito que se desea construir, la lista puede reducirse dramáticamente.
1. el circuito receptor está diseñado para una tensión de alimentación única de + 5V. Así que una buena Op-Amp para este diseño es uno optimizado para una sola fuente terminó (2, 5V a + 24V) y salida Rail-to-Rail (0.1V a + 4.99V).
2. el circuito receptor debe proporcionar alta ganancia en la frecuencia de la señal alto. De modo que una buena Op-Amp para este diseño necesita un producto de alta ganancia ancho de banda y una velocidad de giro alta.
Mató a tasa en voltios / nos = 2 * pi * frecuencia * Vp *.000001
Obtener el producto ancho de banda = frecuencia * ganancia
Sustituyendo los parámetros del circuito conocido: frecuencia = 40.000 Hz, Vpp = 5V, Max Gain por etapa = 100
Mató a tasa = 2 * pi * 40000 * 5 *.000001 = 1.26V / nos
Obtener el producto ancho de banda = 40000 * 100 = 4.000.000 Hz o MHz 4
3. los amplificadores son estándar invertir diseños que funcionarán con una fuente regulada, por lo que rechazo de la fuente de poder y rechazo de modo común no crítico y puede ser alrededor de 80 dB que es típico de muchos Op-Amps.
4. hay que dos etapas en este diseño de ganancia y el PCB debe ser razonablemente pequeño, por lo que sería mejor un dual Op-Amp en un paquete de 8 pines.
Como un diseñador análogo estoy algo parcial a productos de TI para entrar en los parámetros de destino anteriormente en su página de producto había acortado la lista hasta 6 candidatos. Un Op-Amp se destacó como una excelente opción en cuanto a características y costo:
TI LM6132 doble baja potencia 10 amplificador operacional Rail-to-Rail MHz
Las especificaciones para este chip excedieron los parámetros necesarios. La compensación es que el LM6132 sólo puede conducir cargas de alta impedancia (se recomienda 10K). Pero en todo otro sentido, es una buena opción.
El LM6132 funciona con un solo + 5V fuente de alimentación, por lo que el amplificador necesita un DC bias voltaje para ajustar la salida a la deseada DC offset voltaje. Divisores de voltaje ajustables R9/R10 y R15/R16 proporcionan la tensión diagonal a la entrada de no inversión (pines 3 y 5) de cada Op-Amp. La tensión diagonal a la entrada de no inversión, se incrementa la tensión offset de salida. Disminución de la tensión diagonal a la entrada de no inversión disminuye el voltaje offset de salida. Los condensadores C4 y C6 evitar ruido de alimentación de energía de alta frecuencia que afectan a la salida del Op-Amp.
La hoja de datos de LM6132 recomienda una resistencia de carga de 10K para conseguir el swing de salida y mató a las especificaciones de la tasa, para que una impedancia de entrada de 10 K fue elegida para ambos amplificadores a través de R8 y R14. Esto también cumple el objetivo del diseño de una impedancia de entrada aproximadamente 5 X la impedancia del transductor receptor discutida anteriormente. La fórmula estándar para una ganancia de amplificador inversor del Op-Amp (A) es:
A = - Rf / Rin donde Rf es la resistencia de retroalimentación y Rin es la resistencia de entrada.
Sin embargo para una ganancia de la etapa máxima de 100, el valor de Rf tendría que ser 1Meg Ohm. Prefiero no utilizar resistencias de más de 100K en circuitos de retroalimentación y sobre todo no 1Meg trimmer resistencias. Son extremadamente ruidosos y difíciles de ajustar. Así que por el contrario, para los amplificadores con grandes ganancias te recomiendo la configuración de retroalimentación de tee modificada ilustrada en el esquema del receptor. Este circuito de retroalimentación es más silencioso que el más simple diseño trimmer 1Meg y es más fácil de ajustar. La fórmula de ganancia utilizando la primera etapa como en el ejemplo es:
A = R11/R8 * (2 + R11/R13)
Cuando trimmer resistor R13 se ajusta a 33K ohmios, la ganancia del Op-Amp está fijada en 50. Resistencias R17, R18 y trimmer resistor que R19 establecer la segunda fase ganan igual.
Con el fin de separar la señal portadora de transmisión de ruido externo e interno, un decodificador de tono de fase-bloqueado-lazo IC (TI LM567) se utiliza para el Detector de portador. La salida del detector es una activo bajo detectar portador (CD) señal digital que es fácilmente conectada a un microcontrolador. La hoja de datos del LM567 indica que la impedancia de entrada en el Pin 3 es 40K Ohms, que es más de lo suficientemente alto como para mantener la LM6132 limitador de salida en spec. Como se recomienda en la hoja de datos del LM567, condensador C7 desacopla la salida de la C.C. del limitador de entrada del Pin 3 y el condensador C11 ayuda a asegurar una alimentación libre de ruido en el Pin 4. La frecuencia de oscilador PLL se define por la siguiente ecuación:
F = 1 / (1.1 * R * C)
Nota: Fabricantes difieren en esta ecuación así que asegúrese de revisar la hoja de datos.
Existen muchos valores diferentes que pueden utilizar para R y C. Yo tenía un montón de condensadores de disco .02uF en el inventario así que decidí usar uno de ellos. Reordenando la ecuación de frecuencia para solucionar para R, cuando C se conoce resultados en:
R = 1 / (1.1 * F * C)
Sustituir los valores conocidos: F = 40000 Hz, C =.00000002 F
R = 1 / (1.1 * 40000 *.000000002) = 1136 ohmios
Así que para el oscilador de PLL LM567, C10 es un condensador de .02uF y R20 es un trimmer de 5K ohmios ajustado a 1136 Ohms.
Para la exactitud en la gama cercana, el Detector de portador debe bloquear en el pulso de ultrasonido reflejada en el menor número de ciclos. El LM567 hoja de datos indica que el ancho de banda de lazo y salida filtro de desempeñar un papel en la sensibilidad de la salida del detector. En cuanto a los gráficos en la hoja de datos, el valor de C9 en el .01uF permite el LM567 bloquear en el pulso de ultrasonido dentro de 20 ciclos (500uS) pero establece el ancho de banda del filtro de lazo en 14% (que es mayor de lo deseado pero un comercio aceptable). La ficha técnica recomienda que el valor de C8 dos veces el valor de C9 para que un valor de .02uF fue elegido para el C8. El LM567 salida que pin 8 es un transistor de colector abierto baja activa que requiere una resistencia de pull-up externo. Una resistencia de pull-up de 10K Ohm R21 se ha incluido para comodidad pero la función de pull-up interna de frambuesa Pi o entrada-salida de Arduino se puede utilizar en su lugar.
Aviso que la segunda etapa del amplificador se refiere como un limitador de amplificación. Este circuito es casi idéntico del amplificador de portadora con una excepción: el voltaje bias es ajustado de manera que el offset de salida es 0V cuando se detecte ninguna señal. La razón de esto tiene que ver con medio ambiente ruido ultrasónico causando falsas alarmas del Detector de portadora. Muchas fuentes de ruido audible (chasquear los dedos, hirviendo agua, metal que forma, etc.) crean sonido débil del espectro ultrasónico. Este ruido puede causar el LM567 generar ráfagas cortas de actividad incluso cuando el transmisor no está encendido. Con el ajuste cuidadoso del limitador, ruido de fondo puede extraerse el Detector de entrada para que el Detector de salida sólo activa cuando se hacen mediciones de ultrasonido.
