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Ultraschall Interface mit gesteuerter Verstärkung und Analogausgang

Es wird ein Ultraschall-Messinterface beschrieben, das ich in Zusammenhang mit der Erprobung des ASURO entwickelt habe. Es hat mit der Verstärkungsregelung und dem zusätzlichen Analogausgang interessante Features und ist aus einfachen handelsüblichen Bauelementen aufgebaut.

Es gibt bereits ein sehr gute Ultraschallinterfaces mit den Bezeichnungen SRF08, SRF10 robot-electronics.co.uk, roboter-teile.de,robotikhardware.de, die dadurch nicht ersetzt werden sollen. Es ging mir darum, die Funktionen mit Analogtechnik zu realisieren und auch einen Analogausgang zu schaffen, an dem das Ergebnis ähnlich wie beim Sharp-Entfernungsmesser Gp2d12 als Spannungswert zur Verfügung steht.

Anschlüsse

Um die Beschreibung der Schaltung übersichtlich zu halten, wird sie zunächst im Blockschaltbild dargestellt.

Ultraschallinterface Blockschaltbild.gif

Die Schaltung hat 3 äußere Signal-Anschlüsse:

Start in: der übliche Ruhepegel ist 1. Beim Start wird ein Burst von 16 Perioden des 40kHz-Signals (auch 8-64 erprobt) eingespeist und der Pegel bleibt danach bis zum Ende der Laufzeitmessung auf 1. Bei Mehrfachnutzung von Ports kann der Pegel danach auch wechseln, wobei ein Wechsel an den Sende-Wandler übertragen wird und der Wert von Analogue out verloren geht.

Pulse out: Der Pegel geht bei Start der Messung auf 0. Bei Eintreffen eines Echosignals geht der Pegel auf 1 und es kann das Ende der Messung erkannt werden. Die Pulsdauer ist damit die doppelte Schallaufzeit plus die Filtereinschwingzeit. Der inverse Pegel ist in der Schaltung auch verfügbar.

Analogue out: In der Schaltung arbeitet ein Rampengenerator zur Steuerung der laufzeitabhängigen Verstärkung. Die Rampe wird mit dem Sendesignal gestartet und beim Erkennen eines Echos gestoppt. Ein Track & Hold-Glied kann am Ausgang ausgelesen werden und liefert einen Spannungswert, der in einer steigen Funktion mit der Laufzeit verknüpft ist. Die Auflösung ist bei geringen Entfernungen größer. Die Spannung wird je nach Ausführung und Leckstrom für ca. 1sec den Wert auf 5cm genau beschreiben.

Funktion:

Das Signal “Start in“ geht an die Funktionsblöcke Comparator & Switch, Ramp Generator und Sender. Im Switch wird ein Flipflop zurückgesetzt, und startet die Rampe. Der Kondensator des Rampengenerators wird über den Sendeburst entladen, so dass die Verstärkung während des Sendens minimal bleibt. Der Sendeburst wird im Sender durch Inversion verstärkt und treibt den Sendewandler.

Ultraschallinterface Schaltplan.gif

Der Receiver empfängt das Signal und es wird zusammen mit dem Rampensignal gleichspannungsmäßig entkoppelt. Im Rampengenerator wird der Kondensator über die linke Diode mit dem Sendeburst entladen. Die Entladung dauert pro Periode 12,5µs, wobei sich bei 8 Perioden schon etwa mehrere Zeitkonstanten ergeben und die Spannung am Kondensator auf eine Diodenschwellspannung absinkt. Über den 220k-Widerstand und eine Diode wird der Kondensator zunächst linear aufgeladen. Die Spannung an der Anode ist dabei um eine Schwellspannung höher als die Kondensatorspannung und an der Kathode der rechten Diode und am 1M-Widerstand liegt damit wieder die gleiche Spannung wie am Kondensator. Durch die Dioden wird der Kondensator beim Abschalten des Flipflop vom 1M-Widerstand isoliert, so dass der Kondensator nur noch über gesperrte Dioden angeschlossen ist und die Spannung hält. Über einen Spannungsfolger wird sie an den Ausgang Analogue out ausgegeben.

Es folgt der Verstärker, dessen Transistor über den 1M-Widerstand einen rampenförmigen Strom erhält. Die “Kleinsignalverstärkung“ diese Transistors nimmt mit dem Arbeitsstrom zu und kompensiert die mit der größeren Laufzeit abnehmende Signalspannung. Ein besonderer Vorteil der laufzeitabhängigen Verstärkung ist die geringe Empfindlichkeit gegen Störeinkopplung beim Senden und die Einheitlichkeit des Signalpegels in der weiteren Verarbeitung.

Der Arbeitswiderstand des Verstärkers ist ein Schwingkreis geringer Güte (ca.10), der eine Mittenfrequenz von 40kHz hat und einen effektiven Widerstand von 10k. Vorteilhaft an der Spule ist der geringe DC Widerstand von etwa 60 Ohm der den Signalmittelwert auch bei steigendem Kollektorstrom von 0-1mA nur um 60mV verschiebt. Als Komparator folgt in der nächsten Stufe eine Transistorstufe, die in ihrem Arbeitspunkt über einen ausreichend großen Bereich abgleichbar ist. Wird der Trimmer an den unteren Wert gedreht, ist der Arbeitswiderstand klein und es ist ein hoher Triggerlevel eingestellt. Bei Annäherung an den Triggerlevel kann die Empfindlichkeit gesteigert werden, was für präzise Messungen mit kürzeren Pulsen erforderlich ist. Die Komparatorstufe setzt das Flipflop aus den beiden NAND-Gattern zurück und gibt damit das Signal an den Ausgang.

Ausblick

Die Schaltung ist mit den Werten erprobt und ist auch unkritisch gegenüber Variationen.

Naheliegende Variationen sind: Inversion des Pulse out: (ein Inverter ist auch noch frei).

Variation der Sendeburst-Dauer: Kann beliebig gewählt werden. Die Bandbreite der Wandler macht bei längeren Bursts > 32 Perioden schon eine genauere Einstellung der Trägerfrequenz sinnvoll, um die höhere Energie zur Ansteuerung der Wandler auch zu nutzen. Der Schwingkreis im Verstärker ist bewusst breitbandiger gehalten, um einen Abgleich zu vermeiden.

Variation des Messbereichs: Der Kondensator kann auch für eine andere Steigung der Rampe variiert werden. Für große Werte: Er muss über die linke Diode schnell genug entladen werden können, Für kleine Werte: die Track & Hold-Funktion ist kurze Zeit nutzbar (< 1 sec) nutzbar. Bei MOS-OPs kein Problem. (Begrenzung durch Diodensperrströme)

In störungsreicher Umgebung kann die Versorgungsspannungs-Seite des Schwingkreises über 100Ohm/1µF stabilisiert werden.

Erste Daten zur Schaltung wurden bereits im Asuro-Thread dargestellt (siehe Weblink: Daten zur Schaltung)und werden dort oder auch im Sensor-Forum weiter diskutiert.

Manfred

Siehe auch

Weblinks