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    基于FPGA的超声波传感器前端电路设计

    2016-05-23

    文中设计了一种基于FPGA的超声波传感器前端处理电路,包括发射接收电路和信号调理电路。通过FPGA控制在压电陶瓷片两端加载超声频率的电脉冲信号,使压电陶瓷片产生相同频率的机械震荡,从而在空气中形成超声波。反之,在接收到空气中的超声波以后,压电陶瓷片会将超声波信号转换为交变电压信号,在经过后续电路处理后,输入到FPGA中进行分析,最终得到风速、风向的信息。

    1. 超声波传感器发射和接收电路

    图1所示为超声波传感器的发射和接收电路。超声波传感器的激励信号是由FPGA产生的,为了防止后端的发射电路电压(+12V)烧坏引脚,加入了隔离电路。此外,考虑对于场效应管的驱动,采用MOSFET集成驱动芯片。选用TI公司的TPS2811D芯片,既起到隔离作用又能驱动MOSFET管,并且输出信号总是有很快的转换速度。

    2. 超声波传感器信号调理电路

    2.1 接收抗干扰限幅电路

    超声波传感器接收到的噪声信号的幅值很多都在1V以上,比有用的交变电压信号幅值要大很多,所以应在信号进入后置电路前进行限幅,如图2所示,将两个反相并联的硅型二极管接到信号线与地线之间,其正向导通电压为0.7V,而我们所需要的有用交变信号幅值远小于0.7V,因此可使一部分噪声信号过滤掉。

    2.2 前置放大电路

    超声波传感器接收到的有用信号非常微弱,因此需要将超声波传感器输出的交变电信号进行放大处理。

    图3为采用MAX412芯片设计的运放电路原理图。

    2.3 带通滤波电路

    系统接收到的超声波信号频率是200kHz,因此应将非200kHz频率的无用信号过滤。本设计选择美信公司的有源滤波器MAX275,通过利用MAX275内部的两个二阶滤波器级联实现四阶的带通滤波器对超声波传感器接收信号进行滤波,如图4所示。

    2.4AGC自动增益控制放大电路

    为了保证接收到的超声波交变电压信号幅度保持一个比较稳定、合理的范围,使用了自动增益控制放大电路。选用美国ANALOG公司的AD603芯片,且设定它的增益为-10~30dB,带宽为90MHz,满足由前级放大滤波后的超声波交变电压信号的放大要求。在使用AD603芯片前,需要对信号进行降噪声处理。并且可以起到隔离作用,电路图如图5所示。

    如图6所示为AD603自动增益控制放大电路原理图。

    2.5 电压比较电路

    经过前述相关处理后,超声波电信号仍然是交变的电压模拟信号,不能直接送入FPGA中进行处理。在本设计中,不需要将整个的交变电压信号转变为相应的数字信号在FPGA中处理,因此可以采用电压比较的方式将模拟信号装换为数字信号。选用美信公司的MAX912比较器芯片,该比较器内部具有两组比较器且相互独立,并分别可以进行锁存使能控制;另外,器件均能接受差动输入信号并具有互补性的TTL兼容输出。由于噪声的影响,阈值不能选取理想的0V,在此经过多次试验后,选择0.2V作为阈值电压,电压比较器电路如图7所示,输出端的电压较小,可以直接与FPGA相接。

    3. 电路仿真

    未进行任何处理的超声波交变电压信号中含有很多的噪声,无法直接拿来使用,如图8所示。

    超声波交变电压信号经过接收抗干扰限幅电路、前置放大电路、带通滤波电路、AGC自动增益控制放大电路和电压比较电路后,得到的信号如图9所示。由此可见,在经过信号调理电路后,所接收的信号已经变成可供FPGA直接使用的数字信号。

    文章摘自:李志刚, 齐贤伟, 张延成. 基于FPGA的超声波传感器前端电路设计[J]. 电子设计工程, 2013, 21(21):133-136.

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