超聲波測距系統接收電路研究

蘭羽，周茜

（陜西工業職業技術學院 陜西 咸陽 712000）

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、工作穩定，適合短距離測量定位[1]。因此其在生產，科研，生活等方面有著非常廣泛的應用。超聲波測距具有實時，不受環境干擾，非接觸等一系列優點。在超聲波測距系統中，系統采用頻率為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行設計。

1 超聲波測距原理

超聲波的測距原理如圖1所示，超聲波發射器在MCU控制下由B1向某一方向發射超聲波，在發射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物立即返回來，測距系統在B2接收到反射波就立即停止計時[2]。在標準情況下，超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發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。在超聲波測距系統中，通常發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1中指示夾角θ。

圖1 超聲波的測距原理框圖Fig.1 Block diagram of the principle of ultrasonic distance measurement

（2）式中：L為兩探頭之間中心距離的一半。又知道超聲波傳播的距離為:

（3）式中：v為超聲波在介質中的傳播速度；t為超聲波從發射到接收所需要的時間。 將（2）、（3）代入（1）中得：

其中，超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個常數，當需要測量的距離H遠遠大于L時，則（4）變為:H=vt。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確性，超聲波接收電路的設計必須注意：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[3]。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

圖2 OP27構成的超聲波接收電路Fig.2 Ultrasonic receiving circuit composed by OP27

電路特點：1）電路輸入阻抗為達數十MΩ，輸出阻抗只有數十Ω，其帶負載能力較強。2）電路抑制干擾能力較差，溫漂嚴重。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，但優于運算放大器，其獨特的性能使其在傳感器信號放大、數據采集、精密電子儀器設備、醫療儀器等方面廣泛被采用[4－5]。

儀表放大器構成的超聲波接收電路如圖3所示，其有兩部分構成，第一級由A1、A2組成，均采用高阻抗同相輸入形式且結構對稱，使得電路的漂移和失調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，調節Rp的電阻值，即可調節放大倍數，在A1和A2可增設調零電位器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預置，也可根據需要通調節RP設置儀表放大器的增益。

核心器件可選用的集成運放相當多，在選用運放時，首先應選用低噪聲、輸入失調電流小、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可達到0.2～1 μV。放大器的放大倍數Au我們設定為10～10 000可調，根據 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。

圖3 儀表放大器構成的超聲波接收電路Fig.3 Ultrasonic receiving circuit composed of instrumentation amplifiers

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、低失調漂移增益設置靈活和使用方便等特點[6]。3）具有增益100～1 000可調，帶寬達到100 kHz，集成運放改用寬帶集成運放可提高接收電路響應帶寬。

3.3 CX20106A構成接收電路

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[7]。CX20106A構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和超聲波探頭構成，其利用CX20106A做接收電路載波頻率為38 kHz；通過適當的改變C3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。

圖4 CX20106A芯片構成的超聲波接收電路Fig.4 Ultrasonic receiving circuit composed of CX20106A

電路特點：1）CX20106A輸出的是電平信號，只能對標準距離作定性的判斷，不能作為定量距離測量。2）CX20106A芯片外電路結構簡單，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，適當調節電容C3的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。

4 結 論

超聲波測距系統中，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所測的數據準確度，在設計電路時，需調整部分分立元件的參數，以保證電路準確性。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構成的超聲波接收電路均適合超聲波測距系統。

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