超声波测距系统接收电路研究

第２０卷　第１４期　电子设计工程　２０１２年７月　Ｖｏ１．２０　Ｎｏ．１４　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｊｕ１．２０１２　超声波测距系统接收电路研究　兰羽。周茜　（陕西工业职业技术学院陕西成阳７１２０００）　摘要：介绍了超声波测距系统原理，针对超声波测距系统中常用的４０　ｋＨｚ超声波信号，提出了超声波接收电路设计　原则．采用了集成运放０Ｐ２７构成的同相放大器、仪表放大器、ＣＸ２０１０６Ａ红外接收芯片３种方案来检测超声波信号，　设计了３种方法对应的接收电路．分析了各自的特点。　关键词：超声波测距原理；超声波接收电路；同相放大器；仪表放大器；ＣＸ２０１０６Ａ　中图分类号：ＴＮ７２２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—６２３６（２０１２）１４一ｏｏ８１—０３　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｏｆ　ｌｌｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ＬＡＮ　Ｙｕ，ＺＨＯＵ　Ｑｉａｎ　（Ｓｈａｎｘｉ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉａｎｙａｎｇ　７　１２０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｉｍｉｎｇ　ｔｏ　４０ｋＨｚ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｍｏｓｔ　ｉｎ　ｕｓｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｉｔ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ａｎｄ　ｉｔ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ｍａｔｃｈｅｄ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｒｅｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｔｈｅｉｒ　ｏｗｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｕｓｉｎｇ　Ｉｎ－ｐｈａｓｅ　ａｍｐｌｉｉｆｅ￣　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　０Ｐ２７，ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅ￣，ＣＸ２０１０６Ａ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｃｈｉｐｓ　ｔｏ　ｄｅｔｅｃｔ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｒｅｅ　ｐｒｏｇｒａｍｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ；ｉｎ－ｐｈａｓｅ　ａｍｐｌｉｉｆｅｍ；ｉｎｓｔｕｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ；ＣＸ２０１０６Ａ　超声波是指振动频率高于２０　ｋＨｚ的机械振动，其指向　性好．能量集中．穿透能力强，在传输过程中衰减较小等优　点。同时具有光的反射、折射、聚焦等一系列特征。超声波检　测具有速度快、成本低、精度高、可操作性强、工作稳定，适合　短距离测量定位【ｌｊ。因此其在生产，科研。生活等方面有着非　常广泛的应用。超声波测距具有实时。不受环境干扰，非接触　图１　超声波的测距原理框图　等一系列优点。在超声波测距系统中．系统采用频率为４０　ｋＨｚ　Ｆ培１　Ｂｌｏｃｋ　ｄｉａ￣ａｍ　ｏｆｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　的超声波信号，文中主要针对该频率的超声波信号接收电路　日＝Ｓ　ｃｏｓＯ　（１）　进行设计。　０＝ａｒｃｔｇ（　）　（２）　１超声波测距原理　（２）式中：　为两探头之间中心距离的一半。又知道超声　超声波的测距原理如图１所示．超声波发射器在Ｍ［ＣＵ　波传播的距离为：　控制下由Ｂｌ向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计　２Ｓ＝ｖｔ　（３）　时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物立即返回来，测距　（３）式中：　为超声波在介质中的传播速度；ｔ为超声波从　系统在Ｂ２接收到反射波就立即停止计时鹤。在标准情况下，　发射到接收所需要的时间。将（２）、（３）代人（１）中得：　超声波在空气中的传播速度为３４０　ｍ／ｓ。根据计时器记录的　日＝　１　时间ｔ，就可以计算出发射点距障碍物的距离Ｓ，即：Ｓ＝３４０ｔ／２，　ｖｔｃｏｓ【ａｒｃｔｇ等】　（４）　其中，超声波的传播速度　在一定的温度下是一个常　声速确定后．要测得超声波往返的时间。即可求得距离，这就　是超声波测距的基本原理。在超声波测距系统中，通常发射　数，当需要测量的距离Ｈ远远大于Ｌ时，则（４）变为：日＝　１　ｔ。　与接收探头之间有一定距离，为了提高测量精度，需要考虑　所以。只要需要测量出超声波传播的时间ｔ，就可以得出测量　图１中指示夹角０。　的距离日。　收稿日期：２０１２～０４—２２　稿件编号：２０１２０４１６８　作者简介：兰羽（１９７５一），男，陕西柞水人，硕士，讲师。研究方向：电子电路设计与应用。　一８ｌ一　兰羽．等超声波测距系统接收电路研究　转化成电信号，由红外线检波接收集成芯片ＣＸ２０１０６Ａ接收　ＪＩＡ　Ｗｅｉ，ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｍｉｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｄｏｐｐｌｅｒ　到电信号后．对所接信号进行识别，若频率在３８－４０　ｋＨｚ左　ｌｆｏｗｍｅｔｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｏｒ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｔｅｓｔ，２０１１，１１：８１—８４．　右．则输出为低电平，否则输出为高电平。　［２】张海鹰，高艳丽．超声波测距技术研究［Ｊ］．仪表技术，２０１１　（９）：５８—６０．　ＺＨＡＮＧ　Ｈａｉ—ｙｉｎｇ，ＧＡＯ　Ｙａｎ—ｌｉ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｒａｎｇｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ［Ｊ１．Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１　１（９）：　５８－６０．　【３】罗勇，王伯文，张成龙．ＣＬＣ４２５芯片在低噪声宽带放大器　设计中的运用［Ｊ】．电子设计工程，２０１１，１９（９）：１８６—１８７．　ＬＵＯ　Ｙｏｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｂｏ－ｗｅｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｃｈｅｎｇ－ｌｏｎｇ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＣＬＣ４２５　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｂｒｏａｄｂａｎｄ　ｌｏｗ—ｎｏｉｓｅ　ａｍｐｌｉｉｆｅｒ［Ｊ］．　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１　１，１９（９）：１８６－１８７．　［４］兰羽，卢庆林．仪表放大器在激光外差玻璃测厚系统中的　图４　ＣＸ２０１０６Ａ芯片构成的超声波接收电路　应用［Ｊ］．国外电子测量技术，２０１２，３１（３）：７９－８１．　Ｆｉｇ．４　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ＣＸ２０１０６Ａ　ＬＡＮ　Ｙｕ．ＬＵ　Ｑｉｎｇ—ｌｉｎ．ｎｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｍｐｌｉｉｆｅｒ　电路特点：１）ＣＸ２０１０６Ａ输出的是电平信号，只能对标准　ｉｎ　ｇｌａｓｓ—ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｉｎｇ　ｌａｓｅｒ　ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ［Ｊ］．　距离作定性的判断，不能作为定量距离测量。２）ＣＸ２０１０６Ａ芯　Ｆｏｒｅｉｇｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１２，３　１（３）：　片外电路结构简单，使用简洁方便，价格低廉。３）ＣＸ２０１０６Ａ　７９－８１．　芯片中的滤波器为带通，带宽较窄，限制了噪声，但同时也限　［５】陆婷，刘青．基于０ＰＡ８２Ｏ宽带放大器的设计［Ｊ］．国外电子　制了自身接收信号频率范围。４）具有很好的灵敏度和较强的　测量技术，２０１１，３０（２）：４３—４６．　抗干扰能力，适当调节电容Ｃ，的大小，可以改变接收电路的　ＬＵ　Ｔｉｎｇ，ＬＩＵ　Ｑｉｎｇ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｂｒｏａｄｂａｎｄ　ａｍｐｌｉｉｆｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　灵敏度和抗干扰能力。　ＯＰＡ８２０［Ｊ］．Ｆｏｒｅｉｇｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　４结　论　２０１１，３０（２）：４３—４６．　【６】崔利平．仪表放大器电路设计［Ｊ】．现代电子技术，２００９，１１　超声波测距系统中，接收电路是核心电路。超声波接收　（２９８）：８７—８９．　电路直接决定了测距系统所测的数据准确度，在设计电路　ＣＵＩ　Ｌｉ—ｐｉｎｇ．Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｉｎｓｔｕｒｍｅｎｔａｌ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ【Ｊ］．　时，需调整部分分立元件的参数，以保证电路准确性。文中采　Ｍｏｄｅｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，２００９，ｌ１（２９８）：８７—８９．　用了同相放大器、仪表放大器、ＣＸ２０１０６Ａ　３种方案作为超声　［７］白宗文，刘春生，白洁．基于单片机的超声波测控液住系　波接收电路，分析了３种方案的性能和特点。实验证明同相　统的设计ｆＪ］．电子设计工程，２０１ｌ，１９（１８）：３３—３５．　放大器、仪表放大器、ＣＸ２０１０６Ａ构成的超声波接收电路均适　ＢＡＩ　Ｚｏｎｇ—ｗｅｎ，ＬＩＵ　Ｃｈｕｎ—ｓｈｅｎｇ，ＢＡＩ　Ｊｉｅ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　合超声波测距系统。　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｌｉｑｕｉｄ　ｌｅｖｅｌ　参考文献：　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＣＵ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，２０１　１，１９　［１】贾伟，王小敏．超声多普勒流量模拟器研究［Ｊ】．电子测试，　（１８）：３３—３５．　２０１Ｉ．１１：８１—８４．　（上接第８０页）　出版社．２ｏ０２．　ＹＡＮ　Ｂｉａｏ，ＸＵ　Ｚｏｎｇ—ｚｅ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａ　ｎｅｗ　［５】陈龙三．８０５１单片机Ｃ语言控制与应用［Ｍ】．北京：清华大　ｒｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ＤＳ　ｓｐｒｅａｄ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　学出版社．２００２．　ｓｙｓｔｅｍ叨．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｄａｔａ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ＆Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２００２，１７　【６】周长红，刘敬彪．智能抄表系统的设计与实现［Ｊ］．现代电　（４）：４１５—４１８．　子技术，２００４，１６（５）：３５—３８．　［８】孙际明，孔泽明，张小水．一种电能计量管理系统的设计【ＪＪ．　ＺＨＯＵ　Ｃｈａｎｇ—ｈｏｎｇ，ＬＩＵ　Ｊｉｎｇ－ｂｉａｏ．Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　电力系统自动化，１９９７，４（１２）：５１—５３．　ｃｏｐｙｉｎｇ　ｍｅｔｅｒｓ　ｉｎ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｍｏｄｅｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ＳＵＮ　Ｊｉ—ｍｉｎｇ，ＳＵＮ　Ｚｅ—ｍｉｎｇ．ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｓｈｕｉ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，２００４，１６（５）：３５—３８．　ｅｌｅｃｔｉｒｃ　ｐｏｗｅｒ　ｃａｌｃｕｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．　【７】颜彪，许宗泽．一种新的抗转发干扰直接序列扩频系统的　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，１９９７，４（１２）：５１—５３．　性能分析ｆＪ】．数据采集与处理，２００２，１７（４）：４１５—４１８．　－８３．—