李志剛，齊賢偉，張延成

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

風(fēng)作為氣象要素中最活躍的要素之一，其影響范圍涉及軍事、航海航空、工業(yè)、氣象、科學(xué)試驗(yàn)等方面[1]，因此對(duì)于風(fēng)速和風(fēng)向的測(cè)量顯得尤為重要，其中超聲波傳感器在風(fēng)向、風(fēng)速的測(cè)量中應(yīng)用十分廣泛。超聲波探頭的前端電路是超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)顯示，前端電路直接影響性能的好壞，除了要求超聲波傳感器性能優(yōu)良外，與之匹配的前端電路設(shè)計(jì)也相當(dāng)重要[2]。文中設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的超聲波傳感器前端處理電路，包括發(fā)射接收電路和信號(hào)調(diào)理電路。通過(guò)FPGA控制在壓電陶瓷片兩端加載超聲頻率的電脈沖信號(hào)，使壓電陶瓷片產(chǎn)生相同頻率的機(jī)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(huì)將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為交變電壓信號(hào)，在經(jīng)過(guò)后續(xù)電路處理后，輸入到FPGA中進(jìn)行分析，最終得到風(fēng)速、風(fēng)向的信息。

2.2.3 居民對(duì)福州城市林業(yè)成效感知差異性分析 就福州市民對(duì)福州城市林業(yè)綜合評(píng)價(jià)的單因素進(jìn)行方差分析，結(jié)果(表5)顯示，福州市民對(duì)城市森林在各區(qū)均勻度，結(jié)構(gòu)布局的喬灌草比例，城市森林覆蓋率，噪聲，滿(mǎn)足市民休閑、游憩、觀光等精神需要感知方面存在顯著性差異；經(jīng)多重比較后發(fā)現(xiàn)，臺(tái)江區(qū)與晉安區(qū)、倉(cāng)山區(qū)、鼓樓區(qū)、馬尾區(qū)在均勻度、噪聲、精神需要、城市森林覆蓋率、喬灌草比例方面差異顯著，其他區(qū)域的市民在這些單因素感知方面差異不顯著。

1 超聲波傳感器發(fā)射和接收電路

圖1所示為超聲波傳感器的發(fā)射和接收電路。超聲波傳感器的激勵(lì)信號(hào)是由產(chǎn)生的，為了防止后端的發(fā)射電路電壓（+12V）燒壞引腳，加入了隔離電路。此外，考慮對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)，采用MOSFET集成驅(qū)動(dòng)芯片。選用TI公司的TPS2811D芯片，既起到隔離作用又能驅(qū)動(dòng) MOSFET管[3]，并且輸出信號(hào)總是有很快的轉(zhuǎn)換速度。

當(dāng)TPS2811D芯片輸出高電平時(shí)，Q2導(dǎo)通，電源、L1和R4形成通路，此時(shí)，電源為L(zhǎng)1和C6充電。當(dāng)TPS2811D芯片輸出由高變低時(shí)，Q2斷開(kāi)，而電感L1中的電流不能突變，并且會(huì)產(chǎn)生阻礙電流變小的自感電動(dòng)勢(shì)，L1、C6和D4形成通路，從而為電容C6繼續(xù)進(jìn)行充電，當(dāng)電容C6充滿(mǎn)時(shí)，電流為零，電容通過(guò)L1、D2和VR1開(kāi)始反向放電，此時(shí)VR1兩端會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓脈沖?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)VR1的大小來(lái)調(diào)整傳感器Y1兩端的激勵(lì)電壓大小以產(chǎn)生不同頻率的超聲波信號(hào)。另外，場(chǎng)效應(yīng)管Q2相當(dāng)于一個(gè)容性負(fù)載，由于其PN結(jié)的作用產(chǎn)生寄生電容，導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)需要時(shí)間變長(zhǎng)，因此設(shè)計(jì)了由PNP晶體管（Q1）組成的快速放電電路，寄生電容通過(guò)R3、Q1快速放電，以提高關(guān)斷速度。串接R3可以防止寄生電感的影響，但同時(shí)導(dǎo)致Q2開(kāi)關(guān)速度變慢，綜合考慮，選擇R3的阻值為50 Ω。

第二，旅游產(chǎn)品價(jià)格公開(kāi)化。在該板塊中，旅游經(jīng)營(yíng)商對(duì)每個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行編號(hào)，明碼標(biāo)價(jià)，進(jìn)行合理的競(jìng)爭(zhēng)。管理部門(mén)不定期查訪(fǎng)明顯不合理的低價(jià)產(chǎn)品。在板塊中設(shè)立第三方支付，鼓勵(lì)游客所有的交易都經(jīng)過(guò)第三方，以作為雙方產(chǎn)生糾紛之后的憑證。行程結(jié)束后，未出現(xiàn)違約、欺騙等情況，旅游經(jīng)營(yíng)商才能獲取收益。

系統(tǒng)接收到的超聲波信號(hào)頻率是200 kHz，因此應(yīng)將非200 kHz頻率的無(wú)用信號(hào)過(guò)濾。本設(shè)計(jì)選擇美信公司的有源濾波器MAX275，通過(guò)利用MAX275內(nèi)部的兩個(gè)二階濾波器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)四階的帶通濾波器對(duì)超聲波傳感器接收信號(hào)進(jìn)行濾波，如圖4所示。

圖1 超聲波傳感器的發(fā)射和接收電路Fig.1 Transmitting and receiving circuit of the Ultrasonic Sensors

接收電路相對(duì)簡(jiǎn)單，此時(shí)超聲波傳感器將空氣中的超聲波轉(zhuǎn)化為交變電壓信號(hào)，后續(xù)電路對(duì)這個(gè)電壓信號(hào)進(jìn)行處理。二極管D3是防止作為接收電路時(shí)，信號(hào)影響驅(qū)動(dòng)電路。

2 超聲波傳感器信號(hào)調(diào)理電路

2.1 接收抗干擾限幅電路

在此得VR2=60 kΩ，可變電阻VR3為平衡電阻，其值通過(guò)下式求解，

圖2 抗干擾限幅電路Fig.2 Anti-jamming limiter circuit

2.2 前置放大電路

本設(shè)計(jì)中，取 R6為 10 kΩ，C7為 1 μF，高通截止頻率則為16 Hz。而對(duì)于本設(shè)計(jì)，輸入模擬信號(hào)的頻率范圍為200 kHz，因此符合設(shè)計(jì)要求。

選取我院2017年6月—2018年6月收治的乳腺結(jié)節(jié)患者52例，對(duì)其手術(shù)及穿刺活檢病理結(jié)果進(jìn)行跟蹤，所有患者年齡35～59歲，平均（43.6±2.8）歲，其中31例BI-RADS分級(jí)3類(lèi)，21例BI-RADS分級(jí)4～5類(lèi)。

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

圖3 MAX412運(yùn)算放大電路Fig.3 The MAX412 operational amplifier circuit

經(jīng)過(guò)電壓跟隨器的模擬信號(hào)進(jìn)入第二級(jí)放大，第二級(jí)放大采用電壓負(fù)反饋反相放大，設(shè)計(jì)中放大倍數(shù)為30倍，選取R7為2 kΩ VR2為反饋電阻，其大小可根據(jù)放大倍數(shù)與電阻R7來(lái)計(jì)算，即

超聲波傳感器接收到的噪聲信號(hào)的幅值很多都在1 V以上[4]，比有用的交變電壓信號(hào)幅值要大很多，所以應(yīng)在信號(hào)進(jìn)入后置電路前進(jìn)行限幅，如圖2所示，將兩個(gè)反相并聯(lián)的硅型二極管接到信號(hào)線(xiàn)與地線(xiàn)之間，其正向?qū)妷簽?.7 V，而我們所需要的有用交變信號(hào)幅值遠(yuǎn)小于0.7 V，因此可使一部分噪聲信號(hào)過(guò)濾掉。

圖2為采用MAX412芯片設(shè)計(jì)的運(yùn)放電路原理圖。第一級(jí)放大器作為電壓跟隨器，使用跟隨器既可以獲得較高的輸入阻抗，降低噪聲，又可以在被測(cè)信號(hào)源與數(shù)據(jù)采集電路之間起到隔離作用。為了對(duì)信號(hào)源呈現(xiàn)穩(wěn)定的負(fù)載，在電路的輸入端并聯(lián)了一個(gè)電阻R6，此時(shí)放大器的等效輸入電阻約等于R6。加入電容C7起到了交流耦合，防止了輸入的模擬信號(hào)含有較高的直流分量時(shí)導(dǎo)致放大器輸出飽和。電容C7和電阻R6實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)高通濾波器，其高通截止頻率可以通過(guò)公式（1）計(jì)算：

電路中對(duì)運(yùn)放進(jìn)行了幾點(diǎn)保護(hù)。輸入端接入兩個(gè)二極管D5、D6和電阻RS構(gòu)成雙向限幅電路來(lái)進(jìn)行輸入保護(hù)；為防止正負(fù)電源極性接反，利用二極管D7、D8的單向?qū)ㄐ阅軄?lái)保護(hù)；電容 C9、C10、C11和 C12起到去耦作用，防止自激振蕩，其中 C9、C11采用 0.1 μF 的瓷片電容，C10、C12采用 4.7 μF 的鉭電容，且在電源引腳處就近接地。

第二天，小米到公司忙完工作后，按照約定好的時(shí)間，趕回家里接阿姆去看醫(yī)生。但阿姆不在家，監(jiān)控系統(tǒng)也始終定位不到阿姆所處的位置。小米把阿姆可能去的地方找了個(gè)遍，都不見(jiàn)它的身影。

2.3 帶通濾波電路

相對(duì)于傳統(tǒng)的超聲波傳感器大多采用大功率的場(chǎng)效應(yīng)管和變壓器來(lái)產(chǎn)生高壓脈沖作為激勵(lì)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)傳感器的情況，整體電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度降低，電路的調(diào)試簡(jiǎn)單，系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性提高了。

圖4 帶通濾波電路Fig.4 Band-pass filter circuit

為了保證接收到的超聲波交變電壓信號(hào)幅度保持一個(gè)比較穩(wěn)定、合理的范圍，使用了自動(dòng)增益控制放大電路。選用美國(guó)ANALOG公司的AD603芯片，且設(shè)定它的增益為-10~30 dB，帶寬為90 MHz，滿(mǎn)足由前級(jí)放大濾波后的超聲波交變電壓信號(hào)的放大要求。在使用AD603芯片前，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪聲處理，并且可以起到隔離作用，電路圖如圖5所示。

表1 各個(gè)外接電阻值Tab.1 Value of external resistance

2.4 AGC自動(dòng)增益控制放大電路

某些電阻值可由設(shè)計(jì)人員自行確定，其他的則可以利用芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)的公式計(jì)算方法來(lái)確定阻值，最終所得各個(gè)電阻值如表1所示。

圖5 OPA642電壓跟隨器電路Fig.5 Voltage follower circuit using OPA642

如圖6所示為AD603自動(dòng)增益控制放大電路原理圖。原理是，晶體管Q4與電阻VR4構(gòu)成了一個(gè)檢波器，作用是檢測(cè)電路輸出信號(hào)幅度的變化。當(dāng)AD603輸出信號(hào)幅度發(fā)生變化時(shí)，晶體管Q3和晶體管Q4的兩個(gè)集電極電流之差就會(huì)隨著變化，從而使通過(guò)電容Cav的電流也隨之變化，Cav兩端的電壓（自動(dòng)增益控制電壓VAGC）會(huì)隨AD603輸出信號(hào)幅度的變化而變化。當(dāng)VAGC上升時(shí)，引起增益增大，當(dāng)VAGC下降時(shí)，引起增益減小?？梢?jiàn)通過(guò)VAGC的自動(dòng)變化就達(dá)到了自動(dòng)調(diào)整放大器增益的目的。經(jīng)仿真，當(dāng)VR4阻值為249 Ω時(shí)，效果最佳。電容Cav的值會(huì)影響AGC的時(shí)間常數(shù)，此處取0.1 μF。

很快就開(kāi)學(xué)了，扒鍋街的孩子只有那一座學(xué)?？扇ィ瑒⒓阉衷趯W(xué)校門(mén)口教育他不要跟同學(xué)學(xué)壞了，我知道他這是在拐彎末角地說(shuō)我呢，不過(guò)我不怕，等他一走，我立刻拉著劉佳去玩了。

2.5 電壓比較電路

經(jīng)過(guò)前述相關(guān)處理后，超聲波電信號(hào)仍然是交變的電壓模擬信號(hào)，不能直接送入FPGA中進(jìn)行處理。在本設(shè)計(jì)中，不需要將整個(gè)的交變電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的數(shù)字信號(hào)在FPGA中處理，因此可以采用電壓比較的方式將模擬信號(hào)裝換為數(shù)字信號(hào)。選用美信公司的MAX912比較器芯片，該比較器內(nèi)部具有兩組比較器且相互獨(dú)立，并分別可以進(jìn)行鎖存使能控制；另外，器件均能接受差動(dòng)輸入信號(hào)并具有互補(bǔ)性的TTL兼容輸出[5]。由于噪聲的影響，閾值不能選取理想的0 V，在此經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后，選擇0.2 V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(jìn)行任何處理的超聲波交變電壓信號(hào)中含有很多的噪聲，無(wú)法直接拿來(lái)使用，如圖8所示。

超聲波交變電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)接收抗干擾限幅電路、前置放大電路、帶通濾波電路、AGC自動(dòng)增益控制放大電路和電壓比較電路后，得到的信號(hào)如圖8所示。由此可見(jiàn)，在經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后，所接收的信號(hào)已經(jīng)變成可供FPGA直接使用的數(shù)字信號(hào)。

例如，教師在介紹音樂(lè)家馬思聰時(shí)，讓學(xué)生自愿結(jié)成小組，根據(jù)劇中人物的故事來(lái)表演小品。在回答問(wèn)題時(shí)，教師和學(xué)生都要給予鼓勵(lì)和支持，在學(xué)生表演完小品后，讓學(xué)生體會(huì)到集體互助的樂(lè)趣，使學(xué)生更加主動(dòng)地參與到音樂(lè)表演活動(dòng)中，開(kāi)展音樂(lè)競(jìng)賽實(shí)踐活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的音樂(lè)興趣。比如，教師可以組織學(xué)生進(jìn)行小組對(duì)抗比賽，男女對(duì)抗比賽，通過(guò)演奏樂(lè)器、吹拉彈唱以及舞蹈的形式進(jìn)行相互間的比賽。同時(shí)，在課外活動(dòng)中，學(xué)生可以在教師的指導(dǎo)下組建音樂(lè)興趣小組，積極參加社區(qū)音樂(lè)活動(dòng)，從而增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)服務(wù)感，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)音樂(lè)的積極性和主動(dòng)性，體會(huì)到學(xué)以致用帶給自己的樂(lè)趣。

4 結(jié) 論

在利用超聲波傳感器進(jìn)行風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)量中[6]，超聲波探頭的前端電路對(duì)系統(tǒng)性能的影響非常大。本文設(shè)計(jì)的前端電路有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，整體電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度較低，電路的調(diào)試簡(jiǎn)單，系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性很高。由仿真分析可知，超聲波前端發(fā)射和接收電路、信號(hào)處理電路符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期目的。

圖6 AD603自動(dòng)增益控制放大電路Fig.6 Automatic gain control amplifier circuit using AD603

圖7 電壓比較器電路Fig.7 Voltage comparator circuit

圖8 未處理的超聲波交變電壓信號(hào)Fig.8 Untreated ultrasonic alternating voltage signal

圖9 電壓比較輸出信號(hào)波形Fig.9 Waveform of the Voltage output signal

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