硕士论文-汽车倒车防撞专用集成电路设计.pdf

Y9 5 1 2 9 8 饭旦大擎 学校代码：1 0 2 4 6 学号：0 4 3 0 2 1 1 2 6 硕士学位 论文 ( 专业学位) 汽车倒车防撞专用纂成电设计 院系( 所) ：信息科学与工程学院 专 姓 业： 电子与通信工程 名。 罗鹏 指导教师： 洪志良教授 完成日期： 2 0 0 5 年9 月3 0 日 摘要 汽车倒车防撞系统是一种智能电子监控系统，它可以在车辆停车和倒车 时检测车辆后、侧面的障碍物距离，在靠近障碍物时会发出声音警报，使车 辆能与后面的障碍物保持一定的距离，因此可以让驾驶更安全。 本文首先介绍了有关汽车倒车防撞的相关技术、倒车防撞专用集成电路 的设计目标以及主要特点。 接下来从总体上介绍了倒车防撞专用集成电路。主要涉及到基本原理、 技术关键、技术线路等，同时指出了倒车防撞专用集成电路在整个系统中的 重要作用。本论文还给出了应实现的主要功能和所设计的倒车防撞专用集成 电路的主要特点：数模混合设计、软硬件协同设计、S O C 等。 最后一部分是本文的重点：单片机核、超声波信号检测模块、电源模块 的设计，根据各个模块的特点对整个设计进行了基本的模块划分，分别介绍 了各个模块的设计思路及其实现，并且给出了相关的模拟验证结果。 关键宇汽车倒车防撞；超声波传感器；M C U ；L D O ；运算放大器；数模混合 设计；软硬件协同；S O C A b s t r a c t C a rr e v e r s i n ga i di sak i n do fi n t e l l i g e n te l e c t r o n i cg u a r ds y s t e m ，w h i c hc a n d e t e c tt h ed i s t a n c eo ft h eb a r r i e rb e s i d eo ra f t e rt h ec a tw h e ni ti sr e v e r s i n ga n d p a r k i n g u s ea u d i ow a r n i n g st Oa l e r td r i v e rt ok e e pd i s t a n c ef r o mo b s t a c l e s , a n d S Ot h a tt om a k et h ed r i v es a f e r F i r s t l yt h i st h e s i si n t r o d u c e st h et e c h n o l o g yr e l a t i v et oc a fr e v e r s i n ga i d ，i t s A S I Cd e s i g nt a r g e ta n dm a i nf e a t u r e s T h e na f t e rt h a tt h i sA S I Ci ss h o w e di nd e t a i l w h i c hm o s t l yc o v e r e di t s p n n c i p l e ，k e y s t o n ea n dc i r c u i te t c ，i t sw e l li l l se m p h a s i so nt h ei m p o r t a n c eo f t h i s A S I Ct ot h ew h o l er e v e r s i n ga i d I ti sa l s op r o v i d e dw i t ht h ep r i m a r yf u n c t i o n n e e dt ob er e a l i z e da n dc h a r a c t e r i s t i c so f t h i sA S I C 。w h i c hi n c l u d i n gm i x e ds i g n a l I Cd e s i g n h a r d w a r e - s o f t w a r eC Od e s i g n , S O Ca n ds 0O n A tl a s ti tc o m e st ot h ei m p o r t a n tp a r to ft h i sp a p e r , w h i c hi st h ed e s i g no f M C Uc o r e ，u l t r a s o n i cs i g n a ld e t e c ta n dp o w e rs u p p l ym o d u l e s T h ew h o l ec i r c u i t i sd i v i d e di n t os e v e r a lb l o c k sa c c o r d i n gt ot h e i ro w nc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h e n e x p l a i n st h ed e s i g nm e t h o da n dr e a l i z a t i o no fe a c ho n ea l o n gw i t hi t ss i m u l a t i o n r e s u l t K e yw o r d s ：C a rR e v e r s i n gA i d ，U l t r a s o n i cS e n s o r , M C U ，L D O ，O p e r a t i o n A m p l i f i e r , M i x e dS i 驴a 】I CD e s i g n ，H a r d w a r e - S o f t w a r eC od e s i g n ，S O C 1 1 选题目的及意义 第1 章绪论 随着汽车数量日益增多，现在公路上车流量的不断增大，会车、倒车很 难前后相顾，一不小心就可能造成财产损失，在车上安装雷达则可以解决驾 驶员的后顾之忧，大大降低交通事故的发生。 汽车倒车防撞系统是一个智能型电子监控系统，当驾驶者驾驶车辆处在 倒车状态下时，该系统起作用，倒车防撞系统可以在车辆停车和倒车时检测 车辆后、侧面的障碍物距离，在靠近障碍物时会发出声音警报，与后面的障 碍物保持一定的距离，让驾驶更安全。 I 。2 倒车防撞芯片 本设计是以内置M C U 为关键，溶入各种模拟功能模块，采用数模混合 电路设计技术，实现了单芯片解决倒车防撞功能。本芯片集成了除超声波传 感器、高精度电阻、高精度电容以外的大部分器件，不仅降低了用户成本， 也提高了整个系统的可靠性。 1 2 1 芯片的设计目标 将超声波信号放大及稳压电源整合在芯片中，形成单芯片解决倒车防撞 产品，使汽车倒车防撞功能有更高的可靠性和精度。以填补国内市场空白， 并拥有自主的知识产权和发明专利。 本文设计的主要技术指标： 。 能够探测2 m 的距离 2 整机能在7 9 V 电源下正常工作 1 2 2 芯片特色 超声波处理与控制单芯片S O C 化； 抗干扰强； 精确度高； 系统成本低。 1 3 论文的研究内容 本论文的主要内容主要可以分为三部分，首先通过对超声波传感器功能 的分析与了解，从而得到芯片的系统解决方案；其次根据系统解决方案，了 解倒车防撞的基本功能，并掌握倒车防撞的工作特点、实现方式：然后实现 各个功能模块的设计，实现各个功能模块的各项基本功能：最后利用软硬件 协同设计，完成整个系统的功能。 1 4 论文结构 第一章为绪论部分，介绍了课题的目的及意义，汽车倒车防撞系统的特 点等。 第二章从总体上介绍了整个汽车倒车防撞系统和专用芯片，指出了本设 计芯片在汽车倒车防撞系统中的重要怙。 第三章从总体上介绍了整个汽车倒车防撞系统的原理，主要涉及超声波 测距等。 第四章给出了所要实现的汽车倒车防撞的功能，汽车倒车防撞芯片的毛 要模块：M C U 模块，传感器信号检测模块、L D O 稳压模块等。然后分别介 绍了各个部分的设计过程。 第五章首先给出了系统探测的整体流程，然后介绍了本设计中的软硬件 的协同设计，以及软件的实现过程。 第六章给出了第一次流片测试结果以及结果分析。 论文最后是结论。 第2 章倒车防撞系统及芯片简介 2 1 倒车防撞系统简介 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而 超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来 实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制， 并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在汽车倒车防撞系统的研 制上得到了广泛的应用。 一个倒车防撞系统为三个部分： 上位机( 即车身控制器) ； 超声波防撞检测部分； 指示部分。 说明： 倒车防撞系统一般采用9 V 电池供电： 传感器内置。 2 1 1 用途目的 倒车防撞系统的功能：倒车时，检测车身侧面、后面是否有障碍物。 2 1 2 主用特点 超声波处理与控制单芯片S O C 化； 抗干扰强； 精确度高： 系统成本低。 2 2 汽车倒车防撞芯片基本结构 这款专用汽车倒车防撞芯片，它包含一个8 位的微控制器，内含2 K 字节 用户R O M 和9 6 字节用户S R A M 。 内部框图结构如下： 图2 - 1 内部结构框图 2 3 汽车倒车防撞芯片基本特点 2 3 I 电路特点 指令系统与M C 6 8 H C 0 5 S R 3 完全兼容。 低功耗；异步全静态的芯片设计。 支持S T o P ，W A I T 省电方式。 用户R O M 2 K 字节( 含3 5 2 字节自检R O M ) 。 6 4 字节S R A M ( 含3 2 字节堆栈) 。 一个八位定时器，带七位预分频器。 一个8 位D A C 。 一路低噪声放大电路。 一个比较电路。 8 个标准1 0 门。 内含硬件看门狗电路( W a t c h d o g ) 。 自有内部降压型稳压电路工作电压可达在6 V - 1 2 V 。 2 3 2 芯片管脚 电路采用标准的S O P 2 0 封装 1 2 0 21 9 31 8 41 7 51 6 61 5 71 4 81 3 91 2 1 01 1 图2 - 2 专用芯片封装图 2 4 本章小结 I t 本章从总体上介绍了汽车倒车防撞系统及其专用芯片。整个汽车倒车防 撞系统的工作都由专用芯片来控制，根据本章介绍的专用芯片的结构及特点， 可以看出专用芯片在整个汽车倒车防撞系统中的有非常重要的作用。 第3 章汽车倒车防撞原理 3 1 倒车防撞检测模块 超声波探测障碍物原理很简单，就是所谓的时问差测距法。超声波发射 器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传 播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计 时。超声波在空气中室温下的传播速度为3 4 0 m s ，根据计时器记录的时间t ， 就可以计算出发射点距障碍物的距离( s ) ，即：s = 3 4 0 t 2 汽车倒车防撞系统中超声波传感器一般多用压电式超声波发生器，它实 际上是利用压电晶体的谐振柬工作的。超声波发生器内部结构如图3 1 所示： 图3 - I 超声波发生器结构 它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等 于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动， 便产生超声波。反之，如果两电极f H J 未外加电压，当共振板接收到超声波时， 将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收 器了。 为了能在探测障碍物的同时判断出物体的大致形状，应设计成多传感器 探测系统。经分析可知，频率为4 0 k H z 左右的超声波在空气中传播的效率最 佳；同时，为了方便处理，发射的超声滤被调制成4 0 k H z 左右、具有一定间 隔的调制脉冲波信号。 其中超声波的传感器发射超声波和接收反射波的示意如图3 2 。 图3 2 超声波发射与接收示意图 3 1 1 基本原理 检测主要原理是汽车倒车防撞系统采用单片机为核心外置专用超声波传 感器的系统。通过单线通信接口，接受上位机的命令后，传感器发出数个超 声波信号，如果遇到障碍物就会产生反射波，传感器可接收反射回束的超声 波信号，并将其转换成电信号，该电信号是很小的信号，最小的幅度约3 0 u V ， 经过内部放大器放大，进入比较器的一端；从E E P R O M 读出的数据经过D A 转换，送入比较器的另一端，提供比较器的比较电平，根据数次比较器的比 较结果，发出不同的脉冲，经单片机处理后，达到检测障碍物的目的。 图3 - - 3 采用单片机为核心，通过超声波传感器发射超声波与接收反射回 来的超声波电路方案。 V l 图3 3 以M C U 为核心的倒车防撞电路方案 3 1 2 两个放大器增益的计算 运放一的闭环增益： 日l o ) ：要一( 式3 一1 ) R 9 + l o 其中s = j + 2 * F l * f 当取R 8 = 1 5 0 K f t ，角= 4 7 K Q ，6 1 0 = 2 2 0 0 p F ，斥4 0 K H z 时， m ：! ! ! 塑 ：3 0 ( 倍) 4 7 K f l + ! 1 - I 4 0 贼+ 2 2 2 0 p F 运放二的闭环增益： H 2 ( 。) ：! ：墨! ：錾：垄：墅：竺! 一( 式3 2 ) sR 7 R 6 + C 2 + s + ( 2 + R 6 + R 7 ) + C + 1 、 。 当取R 3 = 1 5 0 K Q ，舟= 3 3 0 f 】，C = C 7 = C 8 = 5 6 0 p F ，F 三4 0 K H z 时 A 2 m l O O ( 倍1 3 1 3 噪声的估算 我们所关心的噪声最小即信噪比最高，有用信号为反射的回波经传感器 转换成的电信号V i n l 经过O P A M P l 、O P A M P 2 约3 0 0 0 倍放大后为V 0 2 ，同 时V i n l 端的噪声在V 0 2 信号输出端也放大3 0 0 0 倍。所以V i n l 到V 0 2 通路 中的噪声是整个系统的主要噪声。 该通路中的噪声主要由电阻、电容热噪声以及运放产生的热噪声和1 f 闪烁噪声。 电阻热噪声：1 t 1 1 2 3 导体中电子的随机运动尽管平均电流为零，但它会引起导体两端电压的 波动。因此，热噪声谱与绝对温度成J 下比。如式3 3 ： ： 圪2 = 4 k T R ，厂0 ( 式3 3 ) 式中k = 1 3 8 1 0 五3 J K 是玻尔兹曼常数：圪2 的单位是V 2 I - I z 例如：一个5 0 Q 的电阻在T = 3 0 0 K 时的热噪声为8 2 8 1 0 1 9 v 2 H z 。将其 丌方即成电压量o 9 1 n V 瓦，表示1 H z 带宽内的功率等丁( o 9 1 1 0 母) 2 V 2 。 电容热噪声：I l l 2 】【3 1 N c = 竺( 式3 - 4 ) C 式3 4 中N c 单位是v 2 ，将其开平方得到总均方根噪声电压。例如，电 容是l p F ，其总噪声电压等于“3 I lV 。 O M O S 晶体管热噪声：I I J 2 1 1 3 】 2 4 k T ( Z g 。) r 0 2 ( 式3 - 5 ) 式3 - 5 中g 。为晶体管的跨导，t o 为输出阻抗。如果减小跨导，M O S 晶 体管的噪声也减小。例如：如果晶体管作为恒流源工作，就需要使其跨导最 小化。 在电路输出端测得的噪声与输入端的位冕无关，这是因为计算输出噪声 时把输入置为零( 在输入电压源或者电流源不产生噪声的输出阻抗酌提下) 。 此外，M O S 晶体管的欧姆区也有热噪声，但对于一个相对宽的晶体管， 源和漏电阻通常可以忽略，栅的分却电阻一般不能忽略。如果栅电阻为R G ， 如：式3 - 6 2 = 4 灯争( ，D ) 2 ( 式3 - 6 ) 不过，在版图上可以通过栅并联的方法尽可能的减小R G 电阻阻值，所 以M O S 晶体管的欧姆区的热噪声可以减少到很小，为了设计简单化，通常 忽略。 O M O S 晶体管l f 闪烁噪声：1 1 1 1 2 1 3 】 在M O S 晶体管的栅氧化层和硅衬底的界面是硅单晶的边界，因而出现 许多“悬挂”键，产生额外的能态。当电荷载流子运动到这个界面时，有一 些被随机地俘获，随后又被这些能念释放，结果，在漏电流中产生“闪烁” 噪声。与热噪声不同，闪烁噪声的平均功率不容易预测，根据氧化物硅界面 的“清洁度”，闪烁噪声取值可以显著不同，并且随C M O S 工艺的不同而改 变。但可以用一个近似的公式3 7 圪22 丽K 7 1 ( 式3 7 ) 式3 7 中K 是一个与工艺有关的常量，数量级为l O 甾v 2 f 因此，要减小1 f 噪声的方法，就必须增加器件面积。P M O S 器件一般 比N M O S 器件1 ，f 噪声低，因为P M O S 输运空穴的在“埋沟”中，也就是距 硅氧化物界面有一定距离的地方。 信号通路中的噪声电阻热噪声、电容热噪声已经由系统所决定，对于倒 车防撞芯片来说，M O S 晶体管的热噪声和闪烁噪声在设计中考虑就显得尤为 重要。 3 1 4 汽车与障碍物距离的计算 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超 声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射 波就立即停止计时。超声波在空气中室温下的传播速度为3 4 0 m s ，根据计时 器记录的时间t ，就可以计算出发射点距障碍物的距离( s ) ，即：s = 3 4 0 t 2 。 3 2 本章小结 本章介绍了所要实现的汽车倒车防撞的原理。详述了怎样处理超声波传 感器发射和接收信号，分析了设计中需要考虑的重要因素噪声，而且还简述 了超声波测距的原理。 第4 章功能模块设计 4 1M C U 模块 M C U 模块是本芯片的核心，主要完成系统控制、数字滤波、输出等主要功 能。 4 1 1 M C U 简介 现在的M C U 结构主要有两种：R I S C 和C I S C 洲” 1 R I S C 精简指令集结构( R u d u c e dI n s t r u c t i o nS e tC o m p u t e r ) 没有微码 较少的指令 单一的寻址模式 只用存取指令操作存储器 统一的指令长度 比C I S C 结构使用的寄存器多 流水线结构执行 使用这种结构的有： M l c r o c h i p ，S P A R C ，N I P S ，H P P A ，A l p h a ，P o w e r P C ，W - C o r e 2 C I S C 复杂指令集结构( C o m p l e xI n s t r u c t i o nS e tC o m p u t e r ) 指令集较大 指令能执行比较复杂的操作 指令有不同的格式：8 位、1 6 位、3 2 位等 寻址方式比较丰富 比较少的寄存器 强大的汇编语言 使用微码执行 使用这种结构的有：M o t o r o l aM C 6 8 0 0 0 系列 本芯片使用的M C U 的指令集与M o t o r o l a 的6 8 0 5 系列兼容，属于C I S C 结构 的M c U 本芯片使用的M C UC O R E 主要由M C U 控制器、运算器A L U 、条件码寄存器和 中断控制器等组成，如图4 - I 。 图4 1 M C U 结构 4 1 2 M C U 结构 S S M C U 控制嚣： M c UC O R E 根据M C 6 8 H C 0 5 S R 3 里O P C O D E 图阍( 见下页表4 一1 ) 可以将M C U 控制器分成指令寄存器I N S T R E G 、二级P L A 、指令译码器C D C 等模块，如图4 2 形成对指令的读取，指令译码和指令控制信号输出。 输出输出 图4 - 2M C U 控制器结构 输出 釜墓瘩基垂1 n一 匝基。3hdo昏锈。3H。呈_【占懈 娶l；l 罾I-，I|暑o，u鼍2 t 1 zt荸1)量譬il mE暑t-罾Pii 宫暑0暑暑I_量 譬i g lP基tl鼍_gg S l。击 t王-暑al_s0薯t。鼍-，jjt主 。善一暮“吾 ”善- 墓* 耄4 暑“毛 - 喜- t g兰u 曼。曼 u =k ： 一一一 一一 P _-。_ -U。- ”-。_ -。I I 基= 景 鲁 麓茜宝 鲁 爰 釜善量 妻韪 薹 芒 _ -_- - - 蚺 - u 塞 tiiii自ii 。i iii。ljl。i _爱急餐若宝 毫 蠢 g 薹善 量生 窭荟磊 -_ “_ u _ _ _ _ l+ lllllll ll 。lll。_。ll 謦 a 董 曼 巷 甍g害 宣 爱 誊董香量 l曩 薹 薯 ， _-_ - - 卜 u 墨 。自g自。ji自 目giE 。lb E 苗P象暑釜蓉 宝 宣薹 基 琶董菩 量 妻 舞 荟誉 -I I - 1 - llll ll l l。ll。ll 。l-。l l 誉蕾墨 是 麓答暑 - 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4P L A 的结构 一、P L A I ：对指令码O P C O D E 进行译码，根据不同寻址方式，不同字节产生三 类信号： ( 1 ) M U L _ E N 乘法指令控制用，M U L _ E N - - - - O 时，执行乘法指令。其他指令时M U L _ E N = 1 。 ( 2 ) P L U S l 产生地址+ 1 信号，在每一条指令执行第一个时钟( 即表4 - 3 中 E L K l ) 时作用，除了隐含和无偏移寻址指令外，其他指令都有P L U S l 。 ( 3 ) 每一条指令根据不同的寻址方式执行，在第一时钟E L K l 产生初始微码。 二、P L A 2 ：P I A 2 的结构就是有N 个状态机组成。每一条指令对应了一个确定 的状态机。状态机的每一个状态对应一个微码。 P L A 2 中每一条指令的执行的状态机结构如图4 5 。 取指信号 图4 - 5P L A 2 状态机结构 三C D C l ： 根据指令码O P C O D E ( 对应D 0 一D 7 ) 和五个特征码( 条件码) ： C ( 进位标志) ；Z ( 零标志) ；N ( 负标志) ；I ( 中断屏蔽位) ； H ( 半进位标志) ，以及外中断I R Q 的状态，产生B R A N C H 信号。定义： B R A N C H = l 时，判转移的指令发生地址转移。 B R A N c H = O 时，判转移的指令不发生地址转移。 C D c l 的结构如图4 - 6 。 N C Z H I IR Q C L K O P C O D E 图4 6C D C I 结构 B R A N C H 四C I ) C 2 和C D C 3 ： 根据指令码o P 0 c D E ( 对应D O - - D 7 ) 和微码( 对应S T A T E ) 输入，以及M U L - E N 和B R A N C H 信号随时钟C L K 产生C K I C K 6 2 的控制时钟。每一微码周期出现的控 制信号，即可了解每一条指令的运行过程。结构如图4 7 B R A N C H M U LE N C L K O P C O D E S T A T E 图4 - 7C D C 2 和C D C 3 的结构 A L U ： 主要功能是执行算术运算和逻辑运算，算术运算在本质上都可以用加法进 行，所以A L U 在本质上是一个加法器。逻辑运算有逻辑加，逻辑乘，移位，按 位加等，这些运算在加法器中通过逻辑控制实现。 A L U 在执行运算时都会产生一些标志，例如进位信号，零标志，负数等。 会送到条件码寄存器中保存。指令的执行，一般都是通过A L U 实现。 条件码寄存器C C R ： C C R 寄存器是一个8 位寄存器，它的最高3 位全是“1 ”；低5 位存放条件 标志。从高位到低位分别是H ，I ，N ，Z ，C 。 ( 1 ) 半字节进位标志H ： 通常执行B C D 码操作时需要半字节进位标志。 ( 2 ) 中断屏蔽位I ： 在I - - - - 1 时，表示屏蔽内部和外部中断；在I = O 时，允许中断。 串在复位时，中断屏蔽位为“1 ”，只有用清I 位指令c L I 和S T O P 或鼢I T 指令才能对其清零。 牛当有中断产生时，在M C U 将有关内容入堆栈后，而又在中断向量 取出之前，中断屏蔽位I 会自动置“l ” 奉在中断屏蔽I - - - - 1 时，又有中断请求产生，则锁存该中断请求信 号，一旦I 被清零，中断请求就会被处理。 木中断返回指令R T I 会把有关寄存器内容从堆栈中取出来，并恢复 在中断产生之前的中断屏蔽位I 的状态。 ( 3 ) 负标志位N ： 用于反映刚进行算术运算和逻辑运算，或者数据处理的结果是否 有最高为1 的情况。 ( 4 ) 零标志位Z ： 用于反映刚进行算术运算和逻辑运算，或者数据处理的结果是否 为0 的情况。 ( 5 ) 进位标志位C ： 用于反映刚进行算术运算和逻辑运算，或者数据处理的结果是否 有借位或进位的情况。 。竺曼是竺璺登频率一拍一拍地运行着。仔细分析运行的过程可知，M C U 要 竺孽篡霎宝鋈竺箩今，对指令作出解释，然后才执行指琴：”斋；磊器中磊 煮：型苎壅芝有竺苎址( 一般在P c 寄存器中) 送到地五童线芏萋j 、釜三二壶筹 掌地苎黧妻五：苎箩梦再将指令码送到数据总线上，有主磊= 主晶葛蓑据慕兰 了M c U 才能将数据读入指令寄存器I N S T R E G 。时序如图4 8 。一一 4 2 超声波检测模块 在第三章中我们介绍采用单片机为核心的汽车倒车防撞电路方案原理。 通过单线通信接口，接受上位机的命令后，传感器发出数个超声波信号，如果 遇到障碍物就会产生反射波，传感器可接收反射回来的超声波信号，并将其转 换成电信号，该电信号是很小的信号，最小的幅度约3 0 u V ，经过内部放大器放 大，进入比较器的一端；从E E P R O M 读出的数据经过D A 转换，送入比较器的另 一端，提供比较器的比较电平，经过数次超声波发射与接收，根据每次比较器 的比较结果，发出不同的脉冲，经单片机处理后，达到检测障碍物的目的。电 路方案中最主要的模块是：小信号低噪声放大电路。 4 2 1 小信号低噪声放大电路 运算放大器( 简称运放) 是芯片中最为重要的模块，运放设计的好坏直接 决定芯片的性能好坏。 运放的性能参数：小州” 增益运放的开环增益确定了使用运放的反馈系统的精度； 小信号带宽即为单位增益频率，其值不仅取决于稳定精度。还取决 于必须提供的闭环的增益； 大信号带宽即为所谓“转换( s l e w i n g ) ”的大信号特性； 输出摆幅一般使用全差动运放，电压输出摆幅与器件尺寸、偏首电 流等有关； 线性开环运放有很大的非线性：采用全差动实现式以抑制偶次项谐 波，提供足够高的开环增益以使闭环反馈系统达到所要求的线性； 噪声与失调运放的输入噪声和失调确定了能被合理处理的最小信号 电平； 电源抑制一定义为从输入到输出的增益除以从电源到输出的增益。运 放在混合信号系统中使用，运放的电源上常常含有噪声，采用全差动结 构比较好。 简单介绍一下几种经典的运放结构：小。脚 套筒式共源共栅运放( 如图4 - 9 a ) 折叠式共源共栅运放( 如图4 - 9 b ) 两级运放( 如图4 - 9 c ) 增益提高运放( 如图4 - 9 d ) 图4 - 9 a 套简式共源共栅运放 图4 9 b 折叠式共源共栅运放 图4 9 c 两级运放 2 1 图4 。9 d 通过反馈增大输出阻抗提高增益 四种不同运放结构的性能比较； ( c ) 增益输出摆幅 速度功耗 噪声 套筒式共源共栅 由 中高低低 折叠式共源共栅 出由 高 由 中 两级运放高高 低中 低 增益提高运放高中中 高 中 根据第三章的计算，设计小信号低噪声放大电路，第一要满足足够的增益， 第二要信噪比高，即噪声很低，第三要输出摆幅足够高。所以该芯片选择两级 运放是最合适的。 运放的目的是将经超声波传感器接收反射波的信号转换成电的信号进行放 大。超声波传感器也有发射超声波的功能，因为超声波传感器发射超声波时需 要约I O O V 的电压，所以必须将超声波传感器与运放进行隔直流电平处理，简单 的方法如图4 - 1 0 ，超声波传感器接收反射波V i M 加一电容C l O 。这样虽然起到 隔l O O V 电压的作用，但没有起到对4 0 K H z 的超声波有选择性的放大，所以必须 要增加运放二。运放二设计时可以很容易的实现只对4 0 K H z 频率的信号进行放 大，对其它频率的信号无放大，实现需要加一带通滤波器( e P 如图4 一l O 中R 6 ， R 7 ，C 7 ，C 8 所组成的电路) 。 图4 - 1 0 运放外电路连接图 V 0 2 可以实现只对输入4 0 K H z 频率信号V i n l 进行约3 0 0 0 倍的放大，其它 频率信号远小于3 0 0 0 倍放大，约3 0 倍的放大( 主要运放一对所有频率有约 A l = 3 0 倍放大) 。 系统设计考虑： l ，系统噪声主要是由运放一决定的，因为N F s = N F s l + N F s 2 A 1 + N F s 3 ( A 2 * A I ) + ，所以运放一的噪声设计需要低噪声设计。 2 、运放一外接成高通滤波器结构，可以抑制l f 噪声，为了减少热噪声， 希望单位增益带宽越窄越好，但对4 0 K H z 的信号要有3 0 d B 的放大，带 宽又不能太窄，折衷考虑带宽为1 M 一2 M H z ，比较合适，所以要采用两 级放大器加密勒电容补偿。 3 、运放二外接一选频网络，由于选频网络的相位特性波动比较大 ( 8 0 0 ，斗8 0 0 ) ，所以运放- I 作的稳定性成为设计中难点。 运放一设计； 图4 1 1 运放一线路图 图4 1 l 中输入输出说明： v + 参考电位输入端 v - 信号输入端 I b i a s 偏置电流输入端 V o u t运放一放大输出端 V o u t 与B 1 之间连接的电容为密勒电容 运放一噪声分析： 根据系统设计考虑中的第一点，噪声主要来自于运放一。同样，对于运放 一噪声来自于运放一的第一级，那如图4 - 1 2 量tn 翊 电I - 1- 唾1 ” _ 一 S 1 一掣。乏牡 ：。 蜘 墨1 铲一 们飘l 图4 1 2 运放一的第一级 1 、用P M O S 管做差分输入对管，可以减小I f 噪声。因为P M O S 管输运空穴 是在“埋沟”中，即是在距硅一氧化物界面有一定距离的地方，所以1 f 噪声会比N M o s 晶体管低。 2 、根据差动放大器每单位带宽的总输入参考噪声式4 一l ( 因为m 与M 2 是 相互匹配，鹏与M 4 是相互匹配) 1 1 嘲伽 而瑚岳+ 君2 9 i n 3 + 琢2 K 丽v + 为了得到小的总输入噪声，关于M 1 ，l d 2 ，M 3 ，M 4 尺寸关系为：W L 尽可能的 大；g m l ( g i n 2 ) 要尽可能的大；g m 3 ( g m 4 ) 要尽可能的小。 g ，= 4 2 。( 彤工) J D ( 1 + A p k ) ( 式4 - 2 ) 式中I D 对于M 1 ，M 3 管是一样的， 为沟道长度调制系数，L 值越大， 就越小，当L 取相对大的值时，只需要宽长比翌( W 丑I ；) 3 足够大，就可以得到很小 的差动输入噪声。 血办 揣 结合上面两点，M 1 ，M 2 ，M 3 ，M 4 管子宽长比参数分别为： ( W L ) I = ( W L ) 2 = 4 $ O u m 1 0 u m - ( W L ) 3 = ( W L ) 4 - - = 9 6 u m 1 6 u r n 。I b i a s 电流定义为 2 4 u A ，运放的偏置电流为1 6 1 b i a s 即为3 8 4 u A ( 选择相对大的电流是为了提高运 放一的转换速率= I s s C L ) 。 运放一稳定性分析： 图4 - 1 3 为运放一开环增益做小信号分析图，即频率响应分析图 图4 1 3 运放A C 小信号分析图 图4 1 4 为运放一的波特图( 开环增益与频率关系以及相位与频率关系) 4 0 K H z 时开环增益为3 6 d B ，单位增益带宽8 3 4 K H z ，完全满足运放增益3 0 d B 和稳定性设计的要求。 图4 1 4 运放一小信号波特图 - 2 7 运放二设计： 图4 - 1 5 运放二线路图 图4 - - 1 5 中输入输出说明： v + 参考电位输入端 v - 信号输入端 I b i a s 偏置电流输入端 V o u t运放一放大输出端 线路中无密勒电容，主要考虑到运放二外按选频网络的负载 运放二噪声分析： 根据系统设计考虑中的第一点，噪声主要来自于运放一。所以运放二的噪 声设计变得不那么重要，当然从降低系统噪声上考虑，也需要尽可能的小。 运放二稳定性分析： 如图4 - 1 6 运放二外电路连接图中，R 6 ，R 7 ，C 7 ，C 8 组成的电阻电容网络 作为运放二的反馈回路，同时也是运二的负载。该阻容网络的传输函数为式4 3 ， H 2 ( j ) = 两而s 2 R 7 瓦* R 6 吒* C 而z + 2 雨s * R 雨6 * 而C + 而I ( 式4 - 3 ) R 7 图4 一1 6 运放二外电路连接图 容易看出阻容网络有两个零点和两个极点。相位与频率的关系：出现一个极点 的时候相位i 盘- 4 5 0 ，在该极点l O 倍频率时，达- 9 0 0 ，再遇一极点时，相位达一1 3 5 0 ， 而后慢慢趋向一1 8 0 0 ；出现一个零点的时候相位达+ 4 5 0 ，在该零点l O 倍频率时， 达+ 9 0 0 ，再遇一零点时，相位达+ 1 3 5 。，而后慢慢趋向+ 1 8 0 0 。 当R 6 = 5 1 0 f 2 ，R 7 = I S O K o ，C 7 = C 8 = 5 6 0 p F 时，得到的阻容网络的波特图如图 4 - 1 7 。幅度在4 0 K H z 时达最大值3 6 d 8 ，相位在2 0 K H z 5 0 K H z 波动较大( + 8 旷一8 0 0 ) 。 这样对于运放二设计带来了一定难度，如果相位裕度与增益设计不恰当， 容易带来运放二自激振荡。因为阻容网络在5 0 K H Z 时，给运放二带柬额外一8 0 0 的相位，使V 0 2 信号反馈到V i n 2 ( 运放二负端) 可能达到一1 8 0 0 相位，V i n 2 相 对于V o l 就是一3 6 0 0 相位，此时增益肯定是大于I ，完全满足正反馈条件，形成 自激振荡是必然的。 运放二设计就需要把总相移减至最小，使相位与频率交点往外推。可以通 锄 鲥 2 搿 可 珏 彩，g 8 彰 ，、 毋 勺 锄 0 ，彦 - 4 毋 一8 D ，：d 8 2 f l F ( V 0 2 2 ”) ，F ( ”n e t 0 1 9 8 ”I A 。 - j 厂 1 0 翻1 粼1 M1 黝M1 f r e q ( H z ) 图4 1 7阻容网络波特图 过适当的设计把信号通路中的极点减至最少。由于系统分析考虑中，确定运放 二采用二级运放，观其密勒电容的存在会附加一个极点，故将其密勒电容去掉， 可以有效的将其总相移减至最小，使得相位与频率交点往外推，一定程度上补 偿由于阻容网络带来的相移，使得运放二选频放大电路达到稳定。 运放二转换速率： 由于选频的阻容网络作为运放二的负载，并且电容值较大( 如： C 7 = C 8 = 5 6 0 p F ) ，要提高运放二转换速率，必须增大运放二的偏置电流( 根据转 换速率= I 。C 。) 。 偏置电流的大小对运放二的稳定性有什么影响呢? 运放二一定有一极点为( R w T c J - I = 笔 ，I 1 T C L 是固定的，所V A I s s 越大， 这一极点也越大， 越大( 即晶体管的L 越大) ，这一极点也越大。I s s 增大要 使得运放二中的晶体管工作在饱和区，必须增大W L 。由于需要 ( 即L ) 越大， 所以得到w 也会越大，这样晶体管的寄生电容也变大，会限制运放二中的极点 也会外推。所以必须折衷的考虑，使褥运放在2 0 K H z 5 0 K H z 更加稳定。 综上知偏置电流I s s 尽可能的大些，考虑到功耗，I s s 值选在3 n l A ，比较适 中。 运放二仿真结果： 图4 一1 8 给出了不考虑选频的阻容网络，运放二的波特图 图4 1 8 不考虑选频阻容网络时，运放二的波特图 单位增益带宽为7 5 1 I z ，是极点外推的结果。 图4 - - 1 9 给出了考虑选频阻容网络，运放二的波特图： 9 9 a 号5 旁a 1 a a 一3 0 疗 2 0 0 1 D a 一尊g a 一 a 谚 一2 函a 一3 彩a CR e 咿n s e ，：U B 2 谚( V F ( n e t 0 1 9 8 “) ： 。、 j ，：p h 。暑e ( v F 伽。坳1 9 8 ”) ) 、 ； 1 1 巧a1 2 F K1 M1 a O M1 9 G f , - e q 4 - B 4 D ，B 3 口 。8 2 a 图4 2 5 、D e l t a V l d r ( V o u t I l o a d ) D CR e e p o n m t ：，。4 ， 。，7 “ ，。一，j 。4 7 l ， r 图4 2 6 、D e n a V I r ( V o u tV i n ) 4 1 D CR 5 p o n s 图4 2 7 、D e i t a V t c ( V o u t T ) 4 4 本章小结 本章给出了各个模块的详细的设计过程，对主要的模块分别给出了相关的 原理图和波形图，以及相应的仿真验证结果。 第5 章系统实现设计 5 1 软硬件协同设计 要实现整个系统的完整工作，需要软硬件协同工作。1 6 1 1 7 1 硬件所做的工作： 1 把传感器接收到的信号进行分析、放大和处理供M C U 分析； 2 驱动相应的L E D 和蜂鸣器，提供用户参考： 软件所做的工作： 1 完成整个探测过程的控制； 5 。1 1 基本流程 整个软件采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序，接收子 程序、显示子程序等模块组成。 软件设计的主要思路是将预置、发射、接收、显示、声音报警等功能编成