超声波开关电路的测量与调试

超声波开关电路的测量与调试一、任务名称本项目为超声波开关电路的测量与调试。超声波是指振动频率大于20KHZ时，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。超声波不仅广泛地运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域，而且在日常生活中也得到了广泛的运用。超声波有很多的特点，如超声波在传播时方向性强，能量比较集中；超声波能在各种不同媒质中传播，并且可以传播足够远的距离；超声与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。二、任务描述1超声波开关电路的组成超声波开关电路主要是由超声波发射电路和超声波接收电路组成的。1超声波发射电路图221为超声波发射电路，主要由555时基振荡电路和驱动换能等电路组为超声波发射电路的PCB图。2超声波接收电路图223为超声波接收电路，主要由放大电路、检波电路、电压比较电路和路组成。图224为超声波接收电路的PCB图。3超声波开关电路的元器件清单超声波开关电路的元器件清单见表221。表221超声波开关电路元器件清单超声波开关电路功能是当我们拿着超声波发射电路对准其接收电路按下发射开关时，超声波发射电路会发出超声波，超声波接收电路在接收到超声波信号时会对其进行放大、检波、电压比较，然后控制继电器输出一个开关信号，我们可以利用其输出的开关信号对其他电气设备进行开关控制。2超声波开关电路功能的描述3测试点波形的测试图225是超声波发射电路实物图。超声波发射电路的测试点有TP1和TP2，分别将测试波形填人表222（填入TP1的波形）和表223（填人TP2的波形）中，其中TP3是发射电路电源的负极。安装完电路后，超声波接收电路的测试点有TP4、TP5、TP6和TP7，如图226所示。将测试波形分别填人表224（填人TP4的波形）、表225（填人TP5的波形）、表226（填入TP6的波形）和表227（填人TP7的波形），TP8为超声波接收电路电源的负极。4仪器设备的使用（1）示波器的使用步骤用示波器能观察各种不同电信号幅度随时间变化的波形曲线，从而示波器可以测量电压、时间、频率、相位差和调幅度等。用示波器观察电信号一波形的步骤如下选择Y轴耦合方式。根据被测信号频率的高低，将Y轴输入耦合方式选择“AC一地一DC”开关置于AC或DC。选择Y轴灵敏度。示波器根据被测信号的大约峰一峰值（如果采用衰减探头，应除以衰减倍数；在耦合方式取DC挡时，还要考虑叠加的直流电压值），将Y轴灵敏度选择V/DIV开关（或Y轴衰减开关）置于适当挡级。实际使用中如果不需读测电压值，则可适当调节Y轴灵敏度微调（或Y轴增益）旋钮，使屏幕上显现所需要高度的波形。选择触发（或同步）信号来源与极性。通常将触发（或同步）信号极性开关置于“”或“一”挡。选择扫描速度。根据被测信号周期（或频率）的大约值，将X轴扫描速度TIME/DIV（或扫描范围）开关置于适当的挡级。实际使用中如果不需读测时间值，则可适当调节扫速TIME/DIV微调（或扫描微调）旋钮，使屏幕上显示测试所需周期数的波形。如果需要观察的是信号的边沿部分，则扫速TIME/DIV开关应置于最快扫速挡。输入被测信号。被测信号由探头衰减后（或由同轴电缆不衰减直接输入，但此时的输入阻抗降低，输入电容增大），通过Y轴输入端输入示波器。2信号发生器的使删步骤将电源线接人220V50HZ交流电源上。应注意三芯电源插座的地线端应与大地妥善接好，避免干扰。开机前应把面板上各输出旋钮旋至最小。为了得到足够的频率稳定度，需预热。频率调节面板上的频率波段按键用做频段选择，按下相应的按键，然后再调节粗调和细调旋至所需要的频率上，此时“内外测”键置内测位，输出信号的频率由6位数码管显示。波形转换根据需要波形种类，按下相应的波形键位，波形选择键从左至右依次是矩形波、尖脉冲、正弦波。幅度调节正弦波与脉冲波幅度分别由正弦波幅度旋钮和脉冲波幅度旋钮调节，本机充分考虑到输出的不慎短路，加了一定的安全措施，但是不要频繁做人为的短路实验。矩形波脉宽调节通过矩形脉冲宽度调节旋钮调节。三、相关知识1相关元器件知识图227为超声波传感器实物，T/R40一系列通用超声波发射接收传感器是利用压电效应工作的传感器，通常又称为换能器。T为发射器，R为接收器，其振子由压电陶瓷制成，加上共振喇叭可提高动作灵敏度，当处于发射状态时，外加共振频率的电压能产生超声波，将电能转化为机械能；当处于接收状态时，又能很灵敏地探测到共振频率的超声波，将机械能转化为电能。图228是超声波传感器内部结构，这类传感器最适于防盗报警和遥控使用。当给超声波传感器两电极上施加40KHZ的振荡脉冲时，发射器谐振片内发生振动效应，产生40KHZ的超声振荡机械波向外面辐射。接收传感器接收到40KHZ的超声振荡波时，接收器中的谐振片（片形振子）和外部40KHZ的超声波发生共振，将超声波转换成电信号去控制电子电路工作，从而达到遥控的目的。如果发射器的调制信号含有编码功能，则接收电路的放大电路中必须有相应的解码器方可工作。超声波传感器频率特性曲线如图229所示。2放大电路知识用于增加电信号幅度或功率的电子电路称为放大电路。放大电路的基本形式有共发射极放大电路、共基极放大电路和共集电极放大电路C在构成多级放大器时，这几种放大电路常常需要相互组合使用。三极管的三种放大电路如图2210所示。共发射极放大电路的特点是该放大电路的电压、电流、功率放大倍数都较大，所以应用在多级放大器的输入级、中间级和输出级。共集电极放大电路的特点是该放大电路只有电流放大作用，没有电压放大作用，其输入电阻较大，输出电阻较小，常用于阻抗匹配和缓冲电路。共基极放大电路的特点是该放大电路主要是其频率特性好，所以多用于高频放大、高频振荡和宽频带宽放大器等。三种基本放大电路的性能特点见表228。放大电路的性能指标有放大倍数、输入电阻、输出电阻、通频带、最大不失真输出电压、最大输出功率POM、效率及非线性失真。放大倍数放大倍数是衡量放大电路放大能力的指标，定义为输出变量值与输入变量值之比，有时也称为增益。虽然放大电路能实现功率的放大，然而在很多场合，人们常常只关心某一单项指标的放大倍数，例如电压或电流的放大倍数。输入电阻作为一个放大电路，一定要有信号源来提供输入信号，例如扩音器就是利用扬声器将声音转化成电信号提供给放大电路的，还有其他经过温度、压力等传感器变换后产生的各种各样的电信号源。放大电路与信号源相连，就要从信号源获取电流，获取电流的大小表明了放大电路对信号源的影响程度，所以我们定义一个指标来衡量放大电路对信号源的影响，即输入电阻，记作RI。输出电阻放大电路将信号放大后，总要送到某装置去发挥作用，通常这个装置称为负载，比如扬声器就是扩音器的负载。当我们在原来的扬声器两端再并联一个扬声器时，它两端的电压将下降，这种现象说明从放大电路的输出端看进去有一个等效内阻，通常称为输出电阻，记作R0。通频带只改变输入信号的频率时，放大电路的放大倍数会随之变化，输出波形的相位也会发生变化，这就需要有一个指标来反映放大电路对于不同频率的信号的适应能力。一般情况下，放大电路只适用于放大一个特定频率范围的信号，当信号频率太高或太低时，放大倍数都有大幅度的下降。当信号频率升高而使放大倍数下降为中频时放大倍数（记作AUM）的07倍时，这个频率称为上限截止频率，记作FH；同样地，使放大倍数下降为AUM的07倍时的低频信号频率称为下限截止频率，记作FL。我们将FH和FL之间形成的频带称为通频带，记作FBW，即FBWFHFLO通频带越宽，表明放大电路对信号频率的适应能力越强。最大不失真输出电压最大输出幅值是指当输入信号再增大时，输出波形的非线性失真系数就会超过额定数值（比如10）时的输出幅值。放大电路的频率指标曲线如图2211所示。最大输出功率ROM它是在输出信号基本不失真的情况下所能输出的最大功率，通常记POM。效率直流电源能量的利用率越大，放大电路的效率越高，电源的利用率就越高。非线性失真由放大电路的非线性特性引起的失真称为非线性失真。例如，构成放大电路的元器件本身是非线性的或放大电路工作电源受有限电压的限制。多级放大电路之间的耦合方式有直接耦合、阻容耦合、变压器耦合和光电耦合直接耦合直接耦合是把前级的输出端直接或通过恒压器件接到下级输入端，如图2212所示，这种耦合方式不仅可以使缓变信号获得逐级放大，而且便于电路集成化，但是直接耦合使前后级之间的直流相互连通，造成各级直流工作点互相影响，不能保持独立，因此，必须考虑各级间直流电平的配置问题，以使每一级都有合适的工作点。在直接耦合放大器中，另一个突出问题是所谓的零点漂移，即前级工作点随温度的变化会被后级传递并逐级放大，使得输出端产生很大的漂移电压。显然，级数越多，放大倍数越大，零点漂移现象就越严重，因此，在直接耦合电路中，如何稳定前级工作点，克服其漂移，将成为至关重要的问题。直接耦合放大电路的突出优点是具有良好的低频特性，可以放大变化缓慢的信号；并且由于电路中没有大容量电容，所以易于将全部电路集成在一片硅片上，构成集成放大电路。由于电子工业的飞速发展，使集成放大电路的性能越来越好，种类越来越多，价格也越来越便宜，所以直接耦合放大电路的使用越来越广泛。阻容耦合阻容耦合是通过电容器将后级电路与前级相连接，如图2213所示。由于电容器可以隔直流而通交流，所以各级的直流工作点是相互独立的，在求解和实际调试静态工作点时，可按单级处理，这样就给设计、调试和分析带来了很大的方便，而且只要耦合电容选得足够大，则较低频率的信号也能由前级几乎不衰减地加到后级，实现逐级放大，因此，在分立元件电路中阻容耦合方式得到非常广泛的应用。阻容耦合放大电路的低频特性差，不能放大变化缓慢的信号，这是因为电容对这类信号呈现出很大的容抗，信号的一部分甚至全部衰减在耦合电容上，而根本不向后级传递，此外，在集成电路中制造大容量电容很困难，甚至不可能，所以这种耦合方式不便于集成化。变压器耦合变压器耦合是将放大电路前级的输出端通过变压器接到后级的输入端或负载电阻上，如图2214所示。由于变压器耦合电路的前后级靠磁路耦合，所以与阻容耦合电路一样，它的各级放大电路的静态工作点是相互独立的，便于分析、设计和调试，而它的低频特性差，不能放大变化缓慢的信号，且非常笨重，更不能集成化。与前两种耦合方式相比，其最大特点是可以实现阻抗变换，因而在分立元件功率放大电路中得到广泛应用。光电耦合光电耦合的前级和后级的耦合元件是光电耦合器件，如图2215所示。前级的输出信号通过发光二极管转换为光信号，该光信号照射在光电三极管上，光电三极管将其还原回电信号送到后级的输入端。光电耦合方式既可以传输交流信号，又可以传输直流信号；既可实现前后隔离，又易于集成，其运用非常广泛。多级放大电路的放大倍数多级放大电路的总放大倍数等于各级放大电路放大倍数的乘积。低频功率放大电路的种类有甲类功率放大电路、乙类功率放大电路和甲乙类功率放大电路。3检波电路知识检波。调幅信号的解调就是从已调波信号中还原出原调制信号，它是调制的逆过程，称为振幅检波，简称为检波。从图2216所示的频谱关系来看，调幅是把调制信号的频谱搬移到高频载波附近，检波则是把已调波中的边带信号从高频载波附近不失真地搬移到原来的位置，因此检波电路也是频谱搬移电路。检波的分类。检波可分为包络检波和同步检波两大类。包络检波是指检波器的输出电压直接反映高频调幅波包络变化规律的一种检波方法；同步检波是指作用于检波器上的两个高频信号不但频