超聲波電子導盲電路

1．時序信號的產(chǎn)生
因為用電池供電，電壓隨著使用時間會逐步下降。
用通常的RC振蕩器頻率不穩(wěn)定。用通常收音機的465kHz的陶瓷振子產(chǎn)生振蕩，再經(jīng)過12分頻，得到39kHz信號，再經(jīng)過一系列的分頻可以得到所需得各種時序脈沖信號。4069內(nèi)部只有一級CMOS反相器，一般稱非緩沖門，用“UB”表示，適合做32KHz到465kHz的晶體振蕩器，下圖中R2的負反饋使UID工作在線性放大區(qū)，約為1/2電源電壓。UID第9腳有一個微弱的變化經(jīng)過UID，UIE兩級反相，得到同相位的放大r的信號，經(jīng)過X2三端陶瓷濾波器，只有465kHz的信號能通過，正反饋到UID第9腳。形成連續(xù)的振蕩。這時如果取走R2照舊有振蕩。沒有R2，剛接通電源時UID第9腳可能只有零點幾伏，第8腳輸出高，UIE第 11腳低。

處于開關(guān)狀態(tài)，不能對小信號放大。不起振。偶爾觸一下第9腳可能開始工作，但不一定穩(wěn)定?？梢奟2的作用把UID第9腳電平拉到線性區(qū)。如果把74HC04代替4069，因為74HC04內(nèi)部每個門有三級反相門，接上R2后已經(jīng)形成奇數(shù)級環(huán)形振蕩器的結(jié)構(gòu)，即使沒有X2已經(jīng)有若干兆赫茲的振蕩。接上X2也難達到目的。C4，C5,C6是匹配電容。還可以微調(diào)頻率。接上后實際頻率為470kHz。

U2是D觸發(fā)器，時鐘從低到高時Q的狀態(tài)等于D。如果把Q和D連接起來，就成為二分頻器，時鐘每來一次翻轉(zhuǎn)一次。開始，Q=0O，Q=1，D=Q就等于1，時鐘來一次，Q變成1，Q=0，D=Q就等于0，為下一次時鐘來Q變成0做好準備。時鐘變二次，Q變一次，就是二分頻器。把兩級D觸發(fā)器串聯(lián)起來，就成為四分頻器。現(xiàn)在要三分頻，就要加一定的反饋。簡單的方法如下圖所示。U2A是二分頻器，其輸出，Q1送U2B的時鐘，Q1變O，Q1變1，Q2就翻轉(zhuǎn)。沒有反饋時Q2Q1的狀態(tài)是00，01，10，11。等到11狀態(tài)立即清0，與非門U3D兩個輸入端都為1，輸出0，U3C輸出1，D觸發(fā)器清0。

R1的作用是延遲，加寬清0脈沖到300ns，1/3信號可以從U3C輸出，也可以用Q2，不能用Q1。
155kHz信號送到12級二進制異步計數(shù)器4040的U6的第10腳時鐘端。異步計數(shù)器相當于12個接成二分頻的D觸發(fā)器串起來，上一級從1向0變化時下一級才能翻轉(zhuǎn)，每級有5差不多500ns的傳輸延遲，而且逐級累積。下圖是各級波形圖，顯然，周期為206us的信號先從1變0，3.3ms周期的信號延遲約3μs從0變l，觸發(fā)U4A、U4B翻轉(zhuǎn)輸出為1。

在周期為206μs的信號的負脈沖期間，時間等于103μs-3μs，U4A輸出CK1維持1，在206μs的信號的正脈沖期間，信號接U4A的第4腳R端，CK1清0，這種狀態(tài)一直要等待3.3ms，周期性的觸發(fā)信號再次來到，才重復出現(xiàn)一次。CK1的脈寬100μs，周期3.3ms。
同樣，可以分析CK2的脈寬410μs，周期3.3ms。因為清0信號的極性問題，下圖的4013不能用74HC74代替。

4040的第7腳輸出39kHz信號和CK1通過U3A合成含有4個脈沖的OUT信號，送驅(qū)動級。CK1和103}Ls通過U3A合成CK11，是CK1正脈沖的后一半為高的，周期為3.3ms的信號。CK21則是CK2正脈沖的后一半為高的，周期為3.3ms的信號。這些信號以后都有用。

2、發(fā)射驅(qū)動電路
因為超聲傳感器的輸入電容達2700pF之多，低壓下用單個CMOS反相門驅(qū)動效果差，現(xiàn)在用兩兩并聯(lián)推挽驅(qū)動（如下圖所示）。虛框中是用收發(fā)兩用頭L1的電路。當發(fā)射時，L1和傳感器串聯(lián)諧振，加強發(fā)射；當接收時，OUT1和OUT2固定電平相當于交流接地，L1和傳感器并聯(lián)諧振，加強接收信號。理論上想得很好，實際試驗效果很差。所以后面試驗都是收發(fā)兩個頭做的。兩個頭并列安裝，距離2.5cm，出口離地最小1cm，由于超聲波長8.5mm.出口前加有0.5mm粗的金屬防護條不會影響效果。

3、接收放大電路
上圖的三級5倍帶通濾波器的計算與設計與上期類似，不過這里用晶體管代替運算放大器，原理是一樣的，可以更省電，體積更小。信號從USIN進入，當CKl:1時，發(fā)射期間，VT2短路信號，防止強信號竄入放大器。放大的信號從Hl，H2輸出。
由于安裝在同一塊印制板上，有機械耦合。從中圖、下圖看出，在發(fā)射信號后300μs處有一個固定的接收峰（機械耦合），這個信號小于7cm距離地面的反射波信號，而與距離20～30cm的反射波信號大小相仿。而且背景雜音頻率39kHz幅度約1mV。檢測有一定難度。我們按信號強度Hl、H2分兩段檢波，按延遲時間（距離）分成三種情況分析：①距離地面7cm的情況，輸入信號特別大，經(jīng)過一級放大已經(jīng)超過200mV(Vpp)這時把信號從Hl送到第一檢波器。檢波器檢測到有信號，就有DETOUT2=1。這時第二檢波器可能也收到信號（信號在410us處兩邊各一半）．也可能收不到信號。②距離地面7cm～30cm，接收到的信號因距離由近到遠而從很大逐步減小，最后被1mV(Vpp)的背景雜音淹沒。同時信號的延遲從410μ～33mS放大器的放大倍數(shù)125倍，雜音放大到125mV，信號250mV以上時被第一檢波器檢測到，DETOUT1=1。這時DETOUT2：0，DETOUT1=l或0（較遠情況）③距離地面30cm~50cm，信號檢測不到，DETOUT2=DETOUT1=0。第一種情況，要求靜音；第二種情況，要求變調(diào)發(fā)聲；如果接收不到就同③；第三種情況要求發(fā)出警告性音調(diào)的聲音。圖中C16，L1，BC9用于電源濾波作用。

4．檢波放大電路
一般的二極管檢波器，由于二極管的正向壓降而有損耗，特別是小信號情況。下圖利用運算放大器的高增益，抵消了二極管的正向壓降損耗實現(xiàn)理想檢波。
H2的負半周經(jīng)過Ala反相放大成為很大的正信號，通過D4到達Alb的正極性輸入端，C12充電到峰值，Alb接成跟隨器電路，第7腳信號永遠和第5腳一致。R17和W2串聯(lián)負反饋到A1c的第10腳。這時D3因反偏不起作用。Ala反相放大是有限制的，根據(jù)運算放大器的“虛開”和“虛短”的假設，在峰值時，14腳通過R17+W2反饋到2腳的電流和H2通過R15的電流之和為零。UH2/R15+U14/(R17+W2)=0,U14/UH2=-(R17+W2)/R15=-1～-10倍。H2負半周而又小于峰值時，反饋電流絕對值超過輸入電流，把2腳拉高，1腳變低，D3導通吸收反饋電流。維持2腳和3腳電壓相同。（虛短）當正半周情況，Ala反相放大輸出1為低，D4不通，D3導通吸收正半周電流。調(diào)節(jié)電位器可以控制檢波增益。
CK2=0期間VT5導通，檢波輸入端被拉高，輸出DETOUT1=0。為了滿幅度輸出，這里要用所謂“軌至軌”
CMOS運放，用LM324不行。市售TLC2274常見SOD封裝形式的，試驗時做一個替換座轉(zhuǎn)成DIP便于插拔。

5．距離-脈寬-數(shù)字轉(zhuǎn)換
電路如上圖所示，CK21是S信號，CK21正脈沖上升時間，通過U11C=1，UIB=0，U1D=OU3B=1（指輸出端），COUNT_EN=1(開始計數(shù))返回到U11C的輸入端完成—個R-S觸發(fā)器的置位過程，雖然CK21上沖消失，依然存在置位狀態(tài)。DETECT2是R信號，DETECT2=1，U11D=1，U3B=0，U11C=0，UIB=1；復位狀態(tài)，COUNT_EN=0(停止計數(shù))。DETECT1是優(yōu)先復位信號，不論CK21有沒有上沖，只要有DETECT1=1，就有COUNT_EN=0。
在下圖中，U5-4520是雙16進制計數(shù)器，COUNT_EN控制計數(shù)閘門，COUNT_EN的脈寬就含有多少個19.5KHz，就計多少數(shù)。這個數(shù)在CK1的上升時間，被鎖存在U10-40174中。然后CK11來，把計數(shù)器清零，為下一次計數(shù)作準備。CK1上升時間與CK11有50uS的時間間隔。U5B與U5A的級聯(lián)，U5B-Q3要接到U5A-EN，即用下降沿計數(shù)，U5B-Q3從1到0，高一位的計數(shù)加l。不能用CP。在試驗階段暫時將D5~Dl0接入，檢測N5~NO的狀態(tài)。這是典型的6位二進制數(shù)，N5~NO=000000～111111，表示距離由近到遠。