超聲波測距系統(tǒng)接收電路研究

摘要：介紹了超聲波測距系統(tǒng)原理，針對超聲波測距系統(tǒng)中常用的40 kHz超聲波信號，提出了超聲波接收電路設(shè)計原則，采用了集成運放OP27構(gòu)成的同相放大器、儀表放大器、CX20106A紅外接收芯片3種方案來檢測超聲波信號，設(shè)計了3種方法對應(yīng)的接收電路，分析了各自的特點。
關(guān)鍵詞：超聲波測距原理；超聲波接收電路；同相放大器；儀表放大器；CX20106A

    超聲波是指振動頻率高于20 kHz的機械振動，其指向性好，能量集中，穿透能力強，在傳輸過程中衰減較小等優(yōu)點，同時具有光的反射、折射、聚焦等一系列特征。超聲波檢測具有速度快、成本低、精度高、可操作性強、工作穩(wěn)定，適合短距離測量定位。因此其在生產(chǎn)，科研，生活等方面有著非常廣泛的應(yīng)用。超聲波測距具有實時，不受環(huán)境干擾，非接觸等一系列優(yōu)點。在超聲波測距系統(tǒng)中，系統(tǒng)采用頻率為40 kHz的超聲波信號，文中主要針對該頻率的超聲波信號接收電路進(jìn)行設(shè)計。

1 超聲波測距原理
    超聲波的測距原理如圖1所示，超聲波發(fā)射器在MCU控制下由B1向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物立即返回來，測距系統(tǒng)在B2接收到反射波就立即停止計時。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，超聲波在空氣中的傳播速度為340 m／s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離S，即：S=340t／2，聲速確定后，要測得超聲波往返的時間，即可求得距離，這就
是超聲波測距的基本原理。在超聲波測距系統(tǒng)中，通常發(fā)射與接收探頭之間有一定距離，為了提高測量精度，需要考慮圖l中指示夾角θ。

    其中，超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個常數(shù)，當(dāng)需要測量的距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于L時，則(4)變?yōu)椋?。所以，只要需要測量出超聲波傳播的時間t，就可以得出測量的距離H。

2 超聲波接收電路設(shè)計原則
    在信號檢測處理整個過程中，超聲波探頭接收的信號非常微弱，只有毫伏級，其不可避免地要受到各種干擾的影響，這必定給信號處理帶來困難。為了確保檢測信號的準(zhǔn)確性，超聲波接收電路的設(shè)計必須注意：1)接收電路必須是低噪聲的放大器，因其身的就是一個噪聲源，而前端輸出的信號很小可能淹沒在放大器的噪聲中。2)連接接收電路與超聲波接收探頭時注意阻抗匹配。3)接收電路應(yīng)具有足夠的帶寬和增益。

3 超聲波接收電路
3．1 同相放大器
    同相放大器構(gòu)成的超聲波接收電路如圖2所示，在電路中，放大部分采用的是低噪聲運放OP27由構(gòu)成的同相放大器，由于接收到的信號幅度為毫伏級，所以需要將其放大500倍使得其接收到的信號不會被干擾信號給掩蓋。在第一級的放大電路中，R2取值為470 kΩ，R1取值為10 kΩ；在第二級放大電路中，R6的取值為100 kΩ，R5的取值為10 kΩ；平衡電阻R3和R4為平衡電阻，取值均為10 kΩ。第一、二級放大增益：
    
    由(5)、(6)式知超聲波接收電路增益為：Af=Af1·Af2=528

    電路特點：1)電路輸入阻抗為達(dá)數(shù)十MΩ，輸出阻抗只有數(shù)十Ω，其帶負(fù)載能力較強。2)電路抑制干擾能力較差，溫漂嚴(yán)重。3)電路采用低噪聲運放OP27，在一定程度上降低了放大器自身噪聲，但同時也限制電路的帶寬，在電路增益為500時，帶寬為60 kHz。
3．2 儀表放大器
    儀表放大器是精密差動電壓放大器，其源于運算放大器，但優(yōu)于運算放大器，其獨特的性能使其在傳感器信號放大、數(shù)據(jù)采集、精密電子儀器設(shè)備、醫(yī)療儀器等方面廣泛被采用。
    儀表放大器構(gòu)成的超聲波接收電路如圖3所示，其有兩部分構(gòu)成，第一級由A1、A2組成，均采用高阻抗同相輸入形式且結(jié)構(gòu)對稱，使得電路的漂移和失調(diào)都有互相抵消的作用；第二級由A3組成差動放大電路，同樣具有很高的共模抑制比、極高的輸入阻抗，與前級匹配。電阻R1=R2、R3=R4、R5=R6，調(diào)節(jié)Rp的電阻值，即可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，在A1和A2可增設(shè)調(diào)零電位器VR1和VR2，電路差模電壓增益為：Au=R5／R3，
(1+2R1／Rp)由上式儀表放大器的增益即可由電阻R1、R3、R5預(yù)置，也可根據(jù)需要通調(diào)節(jié)Rp設(shè)置儀表放大器的增益。

    核心器件可選用的集成運放相當(dāng)多，在選用運放時，首先應(yīng)選用低噪聲、輸入失調(diào)電流小、共模抑制比的運放；A1、A2運放的特性盡可能一致，電路采用了OP-07。電阻、電容的確定，在低噪聲電路中，電阻選用低溫度系數(shù)的電阻精密金屬膜電阻，以獲得盡可能低的漂移其噪聲指數(shù)可達(dá)到0．2～1μV。放大器的放大倍數(shù)Au我們設(shè)定為10～10 000可調(diào)，根據(jù)Au=R5／R3(1+2R1／VR)，選取R1=R2=10 kΩ，R3=R4=2 kΩ，R5=R6=20 kΩ，Rp=10 kΩ足以滿足Au。電路中的C主要濾除信號中的高頻干擾成分，采用用云母電容或瓷片，均可降低電路噪聲。
    電路特點：1)電路具有抗共模干擾，抑制溫漂功能。2)具有低噪聲、高輸入阻抗、低線性誤差、高共模抑制比、低失調(diào)漂移增益設(shè)置靈活和使用方便等特點。3)具有增益100～1 000可調(diào)，帶寬達(dá)到100 kHz，集成運放改用寬帶集成運放可提高接收電路響應(yīng)帶寬。
3．3 CX20106A構(gòu)成接收電路
    超聲波接收集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控器。因紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。CX20106A構(gòu)成的超聲波接收電路如圖4所示，該電路主要有集成電路
CX20106A和超聲波探頭構(gòu)成，其利用CX20106A做接收電路載波頻率為38 kHz；通過適當(dāng)?shù)母淖僀3的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。

    工作原理：CX20106A集成芯片是集放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波和波形整形電路為一體的芯片。當(dāng)超聲波接收探頭接收到超聲波信號時，壓迫壓電晶體做振動，將機械能轉(zhuǎn)化成電信號，由紅外線檢波接收集成芯片CX20106A接收到電信號后，對所接信號進(jìn)行識別，若頻率在38～40 kHz左右，則輸出為低電平，否則輸出為高電平。
    電路特點：1)CX20106A輸出的是電平信號，只能對標(biāo)準(zhǔn)距離作定性的判斷，不能作為定量距離測量。2)CX20106A芯片外電路結(jié)構(gòu)簡單，使用簡潔方便，價格低廉。3)CX20106A芯片中的濾波器為帶通，帶寬較窄，限制了噪聲，但同時也限制了自身接收信號頻率范圍。4)具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力，適當(dāng)調(diào)節(jié)電容C3的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。

4 結(jié)論
    超聲波測距系統(tǒng)中，接收電路是核心電路。超聲波接收電路直接決定了測距系統(tǒng)所測的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，在設(shè)計電路時，需調(diào)整部分分立元件的參數(shù)，以保證電路準(zhǔn)確性。文中采用了同相放大器、儀表放大器、CX20106A 3種方案作為超聲波接收電路，分析了3種方案的性能和特點。實驗證明同相放大器、儀表放大器、CX20106A構(gòu)成的超聲波接收電路均適合超聲波測距系統(tǒng)。