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基于FPGA的超聲波傳感器前端電路設計

2016-05-23

文中設計了一種基于FPGA的超聲波傳感器前端處理電路,包括發射接收電路和信號調理電路。通過FPGA控制在壓電陶瓷片兩端加載超聲頻率的電脈沖信號,使壓電陶瓷片產生相同頻率的機械震蕩,從而在空氣中形成超聲波。反之,在接收到空氣中的超聲波以后,壓電陶瓷片會將超聲波信號轉換為交變電壓信號,在經過后續電路處理后,輸入到FPGA中進行分析,最終得到風速、風向的信息。

1. 超聲波傳感器發射和接收電路

圖1所示為超聲波傳感器的發射和接收電路。超聲波傳感器的激勵信號是由FPGA產生的,為了防止后端的發射電路電壓(+12V)燒壞引腳,加入了隔離電路。此外,考慮對于場效應管的驅動,采用MOSFET集成驅動芯片。選用TI公司的TPS2811D芯片,既起到隔離作用又能驅動MOSFET管,并且輸出信號總是有很快的轉換速度。

2. 超聲波傳感器信號調理電路

2.1 接收抗干擾限幅電路

超聲波傳感器接收到的噪聲信號的幅值很多都在1V以上,比有用的交變電壓信號幅值要大很多,所以應在信號進入后置電路前進行限幅,如圖2所示,將兩個反相并聯的硅型二極管接到信號線與地線之間,其正向導通電壓為0.7V,而我們所需要的有用交變信號幅值遠小于0.7V,因此可使一部分噪聲信號過濾掉。

2.2 前置放大電路

超聲波傳感器接收到的有用信號非常微弱,因此需要將超聲波傳感器輸出的交變電信號進行放大處理。

圖3為采用MAX412芯片設計的運放電路原理圖。

2.3 帶通濾波電路

系統接收到的超聲波信號頻率是200kHz,因此應將非200kHz頻率的無用信號過濾。本設計選擇美信公司的有源濾波器MAX275,通過利用MAX275內部的兩個二階濾波器級聯實現四階的帶通濾波器對超聲波傳感器接收信號進行濾波,如圖4所示。

2.4AGC自動增益控制放大電路

為了保證接收到的超聲波交變電壓信號幅度保持一個比較穩定、合理的范圍,使用了自動增益控制放大電路。選用美國ANALOG公司的AD603芯片,且設定它的增益為-10~30dB,帶寬為90MHz,滿足由前級放大濾波后的超聲波交變電壓信號的放大要求。在使用AD603芯片前,需要對信號進行降噪聲處理。并且可以起到隔離作用,電路圖如圖5所示。

如圖6所示為AD603自動增益控制放大電路原理圖。

2.5 電壓比較電路

經過前述相關處理后,超聲波電信號仍然是交變的電壓模擬信號,不能直接送入FPGA中進行處理。在本設計中,不需要將整個的交變電壓信號轉變為相應的數字信號在FPGA中處理,因此可以采用電壓比較的方式將模擬信號裝換為數字信號。選用美信公司的MAX912比較器芯片,該比較器內部具有兩組比較器且相互獨立,并分別可以進行鎖存使能控制;另外,器件均能接受差動輸入信號并具有互補性的TTL兼容輸出。由于噪聲的影響,閾值不能選取理想的0V,在此經過多次試驗后,選擇0.2V作為閾值電壓,電壓比較器電路如圖7所示,輸出端的電壓較小,可以直接與FPGA相接。

3. 電路仿真

未進行任何處理的超聲波交變電壓信號中含有很多的噪聲,無法直接拿來使用,如圖8所示。

超聲波交變電壓信號經過接收抗干擾限幅電路、前置放大電路、帶通濾波電路、AGC自動增益控制放大電路和電壓比較電路后,得到的信號如圖9所示。由此可見,在經過信號調理電路后,所接收的信號已經變成可供FPGA直接使用的數字信號。

文章摘自:李志剛, 齊賢偉, 張延成. 基于FPGA的超聲波傳感器前端電路設計[J]. 電子設計工程, 2013, 21(21):133-136.

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