可精确测距的低成本超声子系统

1、    可精确测距的低成本超声子系统摘要：实现了一种全集成可变带宽中频宽带低通滤波器，讨论分析了跨导放大器-电容(OTAC)连续时间型滤波器的结构、设计和具体实现，使用外部可编程电路对所设计滤波器带宽进行控制，并利用ADS软件进行电路设计和仿真验证。仿真结果表明，该滤波器带宽的可调范围为126 MHz，阻带抑制率大于35 dB，带内波纹小于05 dB，采用18 V电源，TSMC 018m CMOS工艺库仿真，功耗小于21 mW，频响曲线接近理想状态。关键词：Butte超声测距原理超声传感器电路比较简单，在系统中负责发送超声脉冲流，然后采集回波信号。器件发

2、出的脉冲信号在空气中传输，直到碰到一个目标物体并在此处产生反射回波。超声传感器通过检测这些回波，并计算出发射脉冲与接收脉冲之间的时间差，从而确定脉冲波形的传输距离。发射脉冲的频率范围为40200kHz，多数情况下使用4050kHz频率范围的脉冲。用于发射脉冲信号并检测回波信号的硬件电路称为超声传感器。有两种类型的超声传感器：静电超声传感器和压电超声传感器。静电型类似于一个电容器，由固定极板和移动极板组成。固定极板通常采用铝，移动极板则采用带有一层较薄镀金层的聚酰亚胺。聚酰亚胺的作用类似于一个绝缘层，当信号(典型频率为50kHz)作用在两个极板时，金箔被吸向背板，产生超声突发信号。压电型是利用压

3、电效应产生并测量超声脉冲。传感器将晶体或陶瓷材料黏接在金属壳或椎体上，发射脉冲时，信号(通常为40kHz)激励晶体，使压电材料扩张或收缩，从而产生超声突发信号。回波信号将使压电材料震动，产生信号输出。计算距离距离计算非常简单，对于一个理想系统，一旦脉冲发射并检测到回波后，即可利用下式计算距离。距离=(传输时间×声速)/2但是，实际应用系统需要考虑延时偏差(零距离下系统的响应延时)，上述公式修改为：距离=(传输时间系统延时偏差)×声速)/2对应于空气温度(Ta)的声速(C)可以按照下式计算，单位为m/s。C=331+0.606×Ta另外，还需要考虑温度的测量精度。步

4、程计设计为了构建一个类似于步程计的便携系统，可以选择MAXQ610等低功耗微控制器，以节省计算功耗其工作在12MIPS时电流只有3.75mA停止模式下仅消耗200nA电流。控制器能够工作在较宽的电压范围(1.73.6V)，可在较长的电池放电过程中支持系统供电（见图1）。图1 用类似于MAXQ610的微控制器构建的系统微控制器和辅助电路用于完成发送、接收超声脉冲的主要功能，脉冲发生器提供载频等于传感器谐振频率的突发式超声脉冲，回波检测电路用于检测反射信号。许多应用中，发射和接收电路位于同一电路板，共用同一传感器。这种情况下，微控制器可以产生突发信号并处理接收到的回波。而在步程计中，发射器安装在一

5、只脚上，接收器则安装在另一只脚上。这种情况下，需要单独提供产生突发脉冲的电路，而微控制器将处理收到的发射信号并计算距离。独立的发射电路利用555定时器即可实现，随后将详细介绍这部分电路。首先讨论微控制器是如何产生脉冲信号。产生超声脉冲利用微控制器的红外(IR)定时器可以产生超声脉冲信号。定时器可以方便地编程脉冲频率和持续时间(见图2)。红外时钟(IRCK)频率等于fSYS/2IRDIV1:0。其中，IRDIV1:0可以设置成1、2、4或8，IRCAH字节定义载波的高电平时间(按照IR输入时钟周期数定义)，而IRCAL字节定义载波的低电平时间。图2 MAXQ610微控制器内部的红外模块定时器IR

6、TXPOL定义开启/空闲状态和IRTX引脚的载波极性，IRDATA决定是否在下一个IRMT载波周期将载波发生器输出送至IRTX引脚。IRDATA=1时，载波在下一个IRMT周期输出到IRTX引脚；IRDATA=0，IRTX引脚在下一个IRMT周期为空闲状态。在本例的开始，设置IRDATA=0使能IR定时器，载波时钟不会出现在IRTX引脚。当IRV寄存器倒计数使IRV达到0时，设置IRDATA=1使载频信号在下一载波时钟输出到IRTX引脚。同时，IRV寄存器重新装载IRMT的数值。在步程计设计中，突发脉冲发生器位于发送传感器中，可以利用555定时器实现该功能。由555定时器构成简单的振荡器，振荡频率为40kHz，占空比为50%(见图3)。选择40kHz频率的主要原因是传感器在该频率处增益最大。555定时器输出与超声传感器连接在一起。 图3 一种基于555定时器、简单的突发模式超声发生器热门词条22-28-41