超聲波電子導盲電路

1．時(shí)序信號的產(chǎn)生
因為用電池供電，電壓隨著(zhù)使用時(shí)間會(huì )逐步下降。
用通常的RC振蕩器頻率不穩定。用通常收音機的465kHz的陶瓷振子產(chǎn)生振蕩，再經(jīng)過(guò)12分頻，得到39kHz信號，再經(jīng)過(guò)一系列的分頻可以得到所需得各種時(shí)序脈沖信號。4069內部只有一級CMOS反相器，一般稱(chēng)非緩沖門(mén)，用“UB”表示，適合做32KHz到465kHz的晶體振蕩器，下圖中R2的負反饋使UID工作在線(xiàn)性放大區，約為1/2電源電壓。UID第9腳有一個(gè)微弱的變化經(jīng)過(guò)UID，UIE兩級反相，得到同相位的放大r的信號，經(jīng)過(guò)X2三端陶瓷濾波器，只有465kHz的信號能通過(guò)，正反饋到UID第9腳。形成連續的振蕩。這時(shí)如果取走R2照舊有振蕩。沒(méi)有R2，剛接通電源時(shí)UID第9腳可能只有零點(diǎn)幾伏，第8腳輸出高，UIE第 11腳低。

處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，不能對小信號放大。不起振。偶爾觸一下第9腳可能開(kāi)始工作，但不一定穩定?？梢?jiàn)R2的作用把UID第9腳電平拉到線(xiàn)性區。如果把74HC04代替4069，因為74HC04內部每個(gè)門(mén)有三級反相門(mén)，接上R2后已經(jīng)形成奇數級環(huán)形振蕩器的結構，即使沒(méi)有X2已經(jīng)有若干兆赫茲的振蕩。接上X2也難達到目的。C4，C5,C6是匹配電容。還可以微調頻率。接上后實(shí)際頻率為470kHz。

U2是D觸發(fā)器，時(shí)鐘從低到高時(shí)Q的狀態(tài)等于D。如果把Q和D連接起來(lái)，就成為二分頻器，時(shí)鐘每來(lái)一次翻轉一次。開(kāi)始，Q=0O，Q=1，D=Q就等于1，時(shí)鐘來(lái)一次，Q變成1，Q=0，D=Q就等于0，為下一次時(shí)鐘來(lái)Q變成0做好準備。時(shí)鐘變二次，Q變一次，就是二分頻器。把兩級D觸發(fā)器串聯(lián)起來(lái)，就成為四分頻器?，F在要三分頻，就要加一定的反饋。簡(jiǎn)單的方法如下圖所示。U2A是二分頻器，其輸出，Q1送U2B的時(shí)鐘，Q1變O，Q1變1，Q2就翻轉。沒(méi)有反饋時(shí)Q2Q1的狀態(tài)是00，01，10，11。等到11狀態(tài)立即清0，與非門(mén)U3D兩個(gè)輸入端都為1，輸出0，U3C輸出1，D觸發(fā)器清0。

R1的作用是延遲，加寬清0脈沖到300ns，1/3信號可以從U3C輸出，也可以用Q2，不能用Q1。
155kHz信號送到12級二進(jìn)制異步計數器4040的U6的第10腳時(shí)鐘端。異步計數器相當于12個(gè)接成二分頻的D觸發(fā)器串起來(lái)，上一級從1向0變化時(shí)下一級才能翻轉，每級有5差不多500ns的傳輸延遲，而且逐級累積。下圖是各級波形圖，顯然，周期為206us的信號先從1變0，3.3ms周期的信號延遲約3μs從0變l，觸發(fā)U4A、U4B翻轉輸出為1。

在周期為206μs的信號的負脈沖期間，時(shí)間等于103μs-3μs，U4A輸出CK1維持1，在206μs的信號的正脈沖期間，信號接U4A的第4腳R端，CK1清0，這種狀態(tài)一直要等待3.3ms，周期性的觸發(fā)信號再次來(lái)到，才重復出現一次。CK1的脈寬100μs，周期3.3ms。
同樣，可以分析CK2的脈寬410μs，周期3.3ms。因為清0信號的極性問(wèn)題，下圖的4013不能用74HC74代替。

4040的第7腳輸出39kHz信號和CK1通過(guò)U3A合成含有4個(gè)脈沖的OUT信號，送驅動(dòng)級。CK1和103}Ls通過(guò)U3A合成CK11，是CK1正脈沖的后一半為高的，周期為3.3ms的信號。CK21則是CK2正脈沖的后一半為高的，周期為3.3ms的信號。這些信號以后都有用。

2、發(fā)射驅動(dòng)電路
因為超聲傳感器的輸入電容達2700pF之多，低壓下用單個(gè)CMOS反相門(mén)驅動(dòng)效果差，現在用兩兩并聯(lián)推挽驅動(dòng)（如下圖所示）。虛框中是用收發(fā)兩用頭L1的電路。當發(fā)射時(shí)，L1和傳感器串聯(lián)諧振，加強發(fā)射；當接收時(shí)，OUT1和OUT2固定電平相當于交流接地，L1和傳感器并聯(lián)諧振，加強接收信號。理論上想得很好，實(shí)際試驗效果很差。所以后面試驗都是收發(fā)兩個(gè)頭做的。兩個(gè)頭并列安裝，距離2.5cm，出口離地最小1cm，由于超聲波長(cháng)8.5mm.出口前加有0.5mm粗的金屬防護條不會(huì )影響效果。

3、接收放大電路
上圖的三級5倍帶通濾波器的計算與設計與上期類(lèi)似，不過(guò)這里用晶體管代替運算放大器，原理是一樣的，可以更省電，體積更小。信號從USIN進(jìn)入，當CKl:1時(shí)，發(fā)射期間，VT2短路信號，防止強信號竄入放大器。放大的信號從Hl，H2輸出。
由于安裝在同一塊印制板上，有機械耦合。從中圖、下圖看出，在發(fā)射信號后300μs處有一個(gè)固定的接收峰（機械耦合），這個(gè)信號小于7cm距離地面的反射波信號，而與距離20～30cm的反射波信號大小相仿。而且背景雜音頻率39kHz幅度約1mV。檢測有一定難度。我們按信號強度Hl、H2分兩段檢波，按延遲時(shí)間（距離）分成三種情況分析：①距離地面7cm的情況，輸入信號特別大，經(jīng)過(guò)一級放大已經(jīng)超過(guò)200mV(Vpp)這時(shí)把信號從Hl送到第一檢波器。檢波器檢測到有信號，就有DETOUT2=1。這時(shí)第二檢波器可能也收到信號（信號在410us處兩邊各一半）．也可能收不到信號。②距離地面7cm～30cm，接收到的信號因距離由近到遠而從很大逐步減小，最后被1mV(Vpp)的背景雜音淹沒(méi)。同時(shí)信號的延遲從410μ～33mS放大器的放大倍數125倍，雜音放大到125mV，信號250mV以上時(shí)被第一檢波器檢測到，DETOUT1=1。這時(shí)DETOUT2：0，DETOUT1=l或0（較遠情況）③距離地面30cm~50cm，信號檢測不到，DETOUT2=DETOUT1=0。第一種情況，要求靜音；第二種情況，要求變調發(fā)聲；如果接收不到就同③；第三種情況要求發(fā)出警告性音調的聲音。圖中C16，L1，BC9用于電源濾波作用。

4．檢波放大電路
一般的二極管檢波器，由于二極管的正向壓降而有損耗，特別是小信號情況。下圖利用運算放大器的高增益，抵消了二極管的正向壓降損耗實(shí)現理想檢波。
H2的負半周經(jīng)過(guò)Ala反相放大成為很大的正信號，通過(guò)D4到達Alb的正極性輸入端，C12充電到峰值，Alb接成跟隨器電路，第7腳信號永遠和第5腳一致。R17和W2串聯(lián)負反饋到A1c的第10腳。這時(shí)D3因反偏不起作用。Ala反相放大是有限制的，根據運算放大器的“虛開(kāi)”和“虛短”的假設，在峰值時(shí)，14腳通過(guò)R17+W2反饋到2腳的電流和H2通過(guò)R15的電流之和為零。UH2/R15+U14/(R17+W2)=0,U14/UH2=-(R17+W2)/R15=-1～-10倍。H2負半周而又小于峰值時(shí)，反饋電流絕對值超過(guò)輸入電流，把2腳拉高，1腳變低，D3導通吸收反饋電流。維持2腳和3腳電壓相同。（虛短）當正半周情況，Ala反相放大輸出1為低，D4不通，D3導通吸收正半周電流。調節電位器可以控制檢波增益。
CK2=0期間VT5導通，檢波輸入端被拉高，輸出DETOUT1=0。為了滿(mǎn)幅度輸出，這里要用所謂“軌至軌”
CMOS運放，用LM324不行。市售TLC2274常見(jiàn)SOD封裝形式的，試驗時(shí)做一個(gè)替換座轉成DIP便于插拔。

5．距離-脈寬-數字轉換
電路如上圖所示，CK21是S信號，CK21正脈沖上升時(shí)間，通過(guò)U11C=1，UIB=0，U1D=OU3B=1（指輸出端），COUNT_EN=1(開(kāi)始計數)返回到U11C的輸入端完成—個(gè)R-S觸發(fā)器的置位過(guò)程，雖然CK21上沖消失，依然存在置位狀態(tài)。DETECT2是R信號，DETECT2=1，U11D=1，U3B=0，U11C=0，UIB=1；復位狀態(tài)，COUNT_EN=0(停止計數)。DETECT1是優(yōu)先復位信號，不論CK21有沒(méi)有上沖，只要有DETECT1=1，就有COUNT_EN=0。
在下圖中，U5-4520是雙16進(jìn)制計數器，COUNT_EN控制計數閘門(mén)，COUNT_EN的脈寬就含有多少個(gè)19.5KHz，就計多少數。這個(gè)數在CK1的上升時(shí)間，被鎖存在U10-40174中。然后CK11來(lái)，把計數器清零，為下一次計數作準備。CK1上升時(shí)間與CK11有50uS的時(shí)間間隔。U5B與U5A的級聯(lián)，U5B-Q3要接到U5A-EN，即用下降沿計數，U5B-Q3從1到0，高一位的計數加l。不能用CP。在試驗階段暫時(shí)將D5~Dl0接入，檢測N5~NO的狀態(tài)。這是典型的6位二進(jìn)制數，N5~NO=000000～111111，表示距離由近到遠。