摘要：介绍了超声波测距体系原理，针对超声波测距体系中常用的40 kHz超声波信号，提出了超声波接纳电路规划准则，选用了集成运放OP27构成的同相扩大器、外表扩大器、CX20106A红外接纳芯片3种计划来检测超声波信号，规划了3种方法对应的接纳电路，剖析了各自的特色。
关键词：超声波测距原理；超声波接纳电路；同相扩大器；外表扩大器；CX20106A
超声波是指振荡频率高于20 kHz的机械振荡，其指向性好，能量会集，穿透才能强，在传输过程中衰减较小等长处，一起具有光的反射、折射、聚集等一系列特征。超声波检测具有速度快、成本低、精度高、可操作性强、作业安稳，合适短间隔丈量定位。因而其在出产，科研，日子等方面有着十分广泛的运用。超声波测距具有实时，不受环境搅扰，非触摸等一系列长处。在超声波测距体系中，体系选用频率为40 kHz的超声波信号，文中首要针对该频率的超声波信号接纳电路进行规划。
1 超声波测距原理
超声波的测距原理如图1所示，超声波发射器在MCU操控下由B1向某一方向发射超声波，在发射的一起开端计时，超声波在空气中传达，途中碰到障碍物当即返回来，测距体系在B2接纳到反射波就当即中止计时。在规范情况下，超声波在空气中的传达速度为340 m／s，依据计时器记载的时刻t，就能够计算出发射点距障碍物的间隔S，即：S=340t／2，声速确认后，要测得超声波往复的时刻，即可求得间隔，这就
是超声波测距的基本原理。在超声波测距体系中，一般发射与接纳探头之间有必定间隔，为了进步丈量精度，需求考虑图l中指示夹角θ。
其间，超声波的传达速度v在必定的温度下是一个常数，当需求丈量的间隔H远远大于L时，则(4)变为：
。所以，只需需求丈量出超声波传达的时刻t，就能够得出丈量的间隔H。
2 超声波接纳电路规划准则
在信号检测处理整个过程中，超声波探头接纳的信号十分弱小，只要毫伏级，其不可避免地要遭到各种搅扰的影响，这必定给信号处理带来困难。为了确保检测信号的准确性，超声波接纳电路的规划有必要留意：1)接纳电路有必要是低噪声的扩大器，因其身的便是一个噪声源，而前端输出的信号很小或许淹没在扩大器的噪声中。2)衔接接纳电路与超声波接纳探头时留意阻抗匹配。3)接纳电路应具有满意的带宽和增益。
3 超声波接纳电路
3．1 同相扩大器
同相扩大器构成的超声波接纳电路如图2所示，在电路中，扩大部分选用的是低噪声运放OP27由构成的同相扩大器，因为接纳到的信号起伏为毫伏级，所以需求将其扩大500倍使得其接纳到的信号不会被搅扰信号给掩盖。在榜首级的扩大电路中，R2取值为470 kΩ，R1取值为10 kΩ；在第二级扩大电路中，R6的取值为100 kΩ，R5的取值为10 kΩ；平衡电阻R3和R4为平衡电阻，取值均为10 kΩ。榜首、二级扩大增益：
由(5)、(6)式知超声波接纳电路增益为：Af=Af1·Af2=528
电路特色：1)电路输入阻抗为达数十MΩ，输出阻抗只要数十Ω，其带负载才能较强。2)电路按捺搅扰才能较差，温漂严峻。3)电路选用低噪声运放OP27，在必定程度上下降了扩大器本身噪声，但一起也约束电路的带宽，在电路增益为500时，带宽为60 kHz。
3．2 外表扩大器
外表扩大器是精细差动电压扩大器，其源于运算扩大器，但优于运算扩大器，其共同的功用使其在传感器信号扩大、数据收集、精细电子仪器设备、医疗仪器等方面广泛被选用。
外表扩大器构成的超声波接纳电路如图3所示，其有两部分构成，榜首级由A1、A2组成，均选用高阻抗同相输入方式且结构对称，使得电路的漂移和失调都有相互抵消的效果；第二级由A3组成差动扩大电路，相同具有很高的共模按捺比、极高的输入阻抗，与前级匹配。电阻R1=R2、R3=R4、R5=R6，调理Rp的电阻值，即可调理扩大倍数，在A1和A2可增设调零电位器VR1和VR2，电路差模电压增益为：Au=R5／R3，
(1+2R1／Rp)由上式外表扩大器的增益即可由电阻R1、R3、R5预置，也可依据需求通调理Rp设置外表扩大器的增益。
中心器材可选用的集成运放相当多，在选用运放时，首先应选用低噪声、输入失调电流小、共模按捺比的运放；A1、A2运放的特性尽或许共同，电路选用了OP-07。电阻、电容的确认，在低噪声电路中，电阻选用低温度系数的电阻精细金属膜电阻，以取得尽或许低的漂移其噪声指数可到达0．2～1μV。扩大器的扩大倍数Au咱们设定为10～10 000可调，依据Au=R5／R3(1+2R1／VR)，选取R1=R2=10 kΩ，R3=R4=2 kΩ，R5=R6=20 kΩ，Rp=10 kΩ足以满意Au。电路中的C首要滤除信号中的高频搅扰成分，选用用云母电容或瓷片，均可下降电路噪声。
电路特色：1)电路具有抗共模搅扰，按捺温漂功用。2)具有低噪声、高输入阻抗、低线性差错、高共模按捺比、低失调漂移增益设置灵敏和运用便利等特色。3)具有增益100～1 000可调，带宽到达100 kHz，集成运放改用宽带集成运放可进步接纳电路呼应带宽。
3．3 CX20106A构成接纳电路
超声波接纳集成电路CX20106A是一款红外线检波接纳的专用芯片，常用于电视机红外遥控器。因红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为挨近，能够运用它制造超声波检测接纳电路。CX20106A构成的超声波接纳电路如图4所示，该电路首要有%&&&&&%
CX20106A和超声波探头构成，其运用CX20106A做接纳电路载波频率为38 kHz；经过恰当的改动C3的巨细，能够改动接纳电路的灵敏度和抗搅扰才能。
作业原理：CX20106A集成芯片是集扩大、限幅、带通滤波、峰值检波和波形整形电路为一体的芯片。当超声波接纳探头接纳到超声波信号时，压榨压电晶体做振荡，将机械能转化成电信号，由红外线检波接纳集成芯片CX20106A接纳到电信号后，对所接信号进行辨认，若频率在38～40 kHz左右，则输出为低电平，不然输出为高电平。
电路特色：1)CX20106A输出的是电平信号，只能对规范间隔作定性的判别，不能作为定量间隔丈量。2)CX20106A芯片外电路结构简略，运用简练便利，价格低廉。3)CX20106A芯片中的滤波器为带通，带宽较窄，约束了噪声，但一起也约束了本身接纳信号频率规模。4)具有很好的灵敏度和较强的抗搅扰才能，恰当调理%&&&&&%C3的巨细，能够改动接纳电路的灵敏度和抗搅扰才能。
4 定论
超声波测距体系中，接纳电路是中心电路。超声波接纳电路直接决议了测距体系所测的数据准确度，在规划电路时，需调整部分分立元件的参数，以确保电路准确性。文中选用了同相扩大器、外表扩大器、CX20106A 3种计划作为超声波接纳电路，剖析了3种计划的功用和特色。试验证明同相扩大器、外表扩大器、CX20106A构成的超声波接纳电路均合适超声波测距体系。
