浙江迪元儀表有限公司
會(huì)員1.png)
浙江迪元儀表有限公司
閱讀：209發(fā)布時(shí)間：2025-1-22
文中設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的超聲波傳感器前端處理電路，包括發(fā)射接收電路和信號(hào)調(diào)理電路。通過(guò)FPGA控制在壓電陶瓷片兩端加載超聲頻率的電脈沖信號(hào)，使壓電陶瓷片產(chǎn)生相同頻率的機(jī)械震蕩，從而在空氣中形成超聲波。反之，在接收到空氣中的超聲波以后，壓電陶瓷片會(huì)將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為交變電壓信號(hào)，在經(jīng)過(guò)后續(xù)電路處理后，輸入到FPGA中進(jìn)行分析，最終得到風(fēng)速、風(fēng)向的信息。
1. 超聲波傳感器發(fā)射和接收電路
圖1所示為超聲波傳感器的發(fā)射和接收電路。超聲波傳感器的激勵(lì)信號(hào)是由FPGA產(chǎn)生的，為了防止后端的發(fā)射電路電壓(+12V)燒壞引腳，加入了隔離電路。此外，考慮對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)，采用MOSFET集成驅(qū)動(dòng)芯片。選用TI公司的TPS2811D芯片，既起到隔離作用又能驅(qū)動(dòng)MOSFET管，并且輸出信號(hào)總是有很快的轉(zhuǎn)換速度。
2. 超聲波傳感器信號(hào)調(diào)理電路
2.1 接收抗干擾限幅電路
超聲波傳感器接收到的噪聲信號(hào)的幅值很多都在1V以上，比有用的交變電壓信號(hào)幅值要大很多，所以應(yīng)在信號(hào)進(jìn)入后置電路前進(jìn)行限幅，如圖2所示，將兩個(gè)反相并聯(lián)的硅型二極管接到信號(hào)線與地線之間，其正向?qū)妷簽?.7V，而我們所需要的有用交變信號(hào)幅值遠(yuǎn)小于0.7V，因此可使一部分噪聲信號(hào)過(guò)濾掉。
2.2 前置放大電路
超聲波傳感器接收到的有用信號(hào)非常微弱，因此需要將超聲波傳感器輸出的交變電信號(hào)進(jìn)行放大處理。
圖3為采用MAX412芯片設(shè)計(jì)的運(yùn)放電路原理圖。
2.3 帶通濾波電路
系統(tǒng)接收到的超聲波信號(hào)頻率是200kHz，因此應(yīng)將非200kHz頻率的無(wú)用信號(hào)過(guò)濾。本設(shè)計(jì)選擇美信公司的有源濾波器MAX275，通過(guò)利用MAX275內(nèi)部的兩個(gè)二階濾波器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)四階的帶通濾波器對(duì)超聲波傳感器接收信號(hào)進(jìn)行濾波，如圖4所示。
2.4AGC自動(dòng)增益控制放大電路
為了保證接收到的超聲波交變電壓信號(hào)幅度保持一個(gè)比較穩(wěn)定、合理的范圍，使用了自動(dòng)增益控制放大電路。選用美國(guó)ANALOG公司的AD603芯片，且設(shè)定它的增益為-10~30dB，帶寬為90MHz，滿足由前級(jí)放大濾波后的超聲波交變電壓信號(hào)的放大要求。在使用AD603芯片前，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪聲處理。并且可以起到隔離作用，電路圖如圖5所示。
如圖6所示為AD603自動(dòng)增益控制放大電路原理圖。
2.5 電壓比較電路
經(jīng)過(guò)前述相關(guān)處理后，超聲波電信號(hào)仍然是交變的電壓模擬信號(hào)，不能直接送入FPGA中進(jìn)行處理。在本設(shè)計(jì)中，不需要將整個(gè)的交變電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的數(shù)字信號(hào)在FPGA中處理，因此可以采用電壓比較的方式將模擬信號(hào)裝換為數(shù)字信號(hào)。選用美信公司的MAX912比較器芯片，該比較器內(nèi)部具有兩組比較器且相互獨(dú)立，并分別可以進(jìn)行鎖存使能控制；另外，器件均能接受差動(dòng)輸入信號(hào)并具有互補(bǔ)性的TTL兼容輸出。由于噪聲的影響，閾值不能選取理想的0V，在此經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后，選擇0.2V作為閾值電壓，電壓比較器電路如圖7所示，輸出端的電壓較小，可以直接與FPGA相接。
3. 電路仿真
未進(jìn)行任何處理的超聲波交變電壓信號(hào)中含有很多的噪聲，無(wú)法直接拿來(lái)使用，如圖8所示。
超聲波交變電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)接收抗干擾限幅電路、前置放大電路、帶通濾波電路、AGC自動(dòng)增益控制放大電路和電壓比較電路后，得到的信號(hào)如圖9所示。由此可見(jiàn)，在經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后，所接收的信號(hào)已經(jīng)變成可供FPGA直接使用的數(shù)字信號(hào)。
文章摘自：李志剛, 齊賢偉, 張延成. 基于FPGA的超聲波傳感器前端電路設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2013, 21(21):133-136.
儀表網(wǎng) 設(shè)計(jì)制作，未經(jīng)允許翻錄必究 .? ? ?
請(qǐng)輸入賬號(hào)
請(qǐng)輸入密碼
請(qǐng)輸驗(yàn)證碼