汪 群,許高斌*,陳 興,馬淵明,金傳恩,歐耿洲

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽省MEMS工程技術(shù)研究中心,合肥 230009;2. 合肥科盛微電子科技有限公司,合肥 230000)

超聲波測距自動增益控制電路的設(shè)計*

汪 群1,許高斌1*,陳 興1,馬淵明1,金傳恩2,歐耿洲2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽省MEMS工程技術(shù)研究中心,合肥 230009;2. 合肥科盛微電子科技有限公司,合肥 230000)

針對在測距過程中超聲波的能量損耗和回波信號微弱的問題,在分析問題產(chǎn)生的基礎(chǔ)上,利用可變增益放大器AD8338設(shè)計了超聲波自動增益控制(AGC)接收補償電路,動態(tài)范圍達(dá)到80 dB。實驗結(jié)果表明:該自動增益補償電路結(jié)構(gòu)簡單,不需要額外的控制器件,可以使不同距離的超聲波回波信號維持在合適的幅度范圍內(nèi),有效地解決了回波信號衰減等問題,提高測距精度。

超聲波測距;自動增益控制電路(AGC);可變增益放大器

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。超聲波測距是一種非接觸式的檢測方式。與其他傳統(tǒng)的光學(xué)檢測或者電磁學(xué)檢測方法相比較,超聲波測距不受光線、被測對象顏色等因素影響,尤其適用于被測物處于灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣環(huán)境下的測量。因此超聲波測距在液位測量、機(jī)器人定位、倒車?yán)走_(dá)、建筑測量、醫(yī)學(xué)檢測等方面有著廣泛的應(yīng)用[1-5]。

但是超聲波在傳播過程中能量會發(fā)生衰減,障礙物越遠(yuǎn),回波信號越微弱,不同幅度的回波信號在通過固定閾值比較器時會產(chǎn)生較大的誤差,這對超聲波回波時間的檢測非常不利。因此為了得到合適的檢測觀察信號,需要對超聲波回波信號進(jìn)行放大處理,提出了自動增益控制(AGC)電路。AGC電路的作用就是當(dāng)輸入信號電壓變化動態(tài)范圍大時,使輸出信號幅度穩(wěn)定不變或者維持在一個很小范圍內(nèi)變化。

目前,關(guān)于超聲探測AGC電路的研究較多,例如李勇峰[6]等人利用可變增益放大器AD603與運放TL974、模擬開關(guān)CD4066組成積分電路進(jìn)行距離增益補償,電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而且需要AD603兩級級聯(lián);張永宏[7]等人利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)產(chǎn)生補償電壓曲線控制可變增益放大器AD8330的放大倍數(shù),利用數(shù)字AGC電路,使得采用數(shù)字化手段控制模擬量放大成為可能,但是硬件消耗相對較高。

本文首先介紹了超聲波測距系統(tǒng)的整體設(shè)計方案,然后重點分析了能量衰減的原因,提出了利用可變增益放大器AD8338內(nèi)部的AGC功能實現(xiàn)數(shù)字AGC電路。通過仿真驗證,該電路動態(tài)范圍廣,電路簡單,性能穩(wěn)定,達(dá)到預(yù)期要求。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

系統(tǒng)框架圖分別如圖1所示。系統(tǒng)的微控制器采用ARM-Cortex M4結(jié)構(gòu),主控芯片輸出40 kHz的PWM脈沖信號,通過升壓發(fā)射電路放大到峰峰值120 V左右的正弦波,提升發(fā)射功率,從而驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號,主控芯片同時記錄當(dāng)前時間。接收探頭獲得返回的超聲波,經(jīng)過放大電路發(fā)送給主控芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、帶通濾波、包絡(luò)檢波,閾值比較后獲得超聲波回波到達(dá)時間。主控芯片記錄返回超聲波的時間。經(jīng)過溫度補償運算可獲得與障礙物的距離s:

(1)

式中:v為空氣中的聲速,t為超聲波傳播時間。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 AGC電路設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 AGC原理

超聲波在介質(zhì)傳播過程中能量會以指數(shù)規(guī)律衰減[8],在距離超聲波探頭x處的回波強(qiáng)度可表示為[8]:

Px=P0×e-2αx

(2)

式中:P0為發(fā)射超聲波聲強(qiáng),α為聲波在該介質(zhì)中的衰減系數(shù)。

若用G(x)來表示距離x處的放大倍數(shù),那么在x處的回波經(jīng)過增益補償后的強(qiáng)度應(yīng)該不變,即:

P0×e-2αx×G(x)=M

(3)

式中:M為常量數(shù)。又因為P0、x都已知,所以G(x)可表示為:

G(x)=Ke2αx

(4)

式中:K為一常數(shù)。將G(x)以增益的形式表示為:

GdB=40lgG(x)=40αxlge+C

(5)式中:C為常數(shù)。從上式可以看出,增益與超聲波的傳播距離呈線性正比例關(guān)系,距離越遠(yuǎn),增益越大。因此可以選擇增益隨著電壓線性變化的可變增益放大器來設(shè)計AGC電路,實現(xiàn)對回波信號的增益補償。

2.2AGC電路的設(shè)計

可變增益放大器是超聲波回波增益補償?shù)年P(guān)鍵部件,本文選用ADI公司的可變增益放大器AD8338。AD8338是一個兼有VGA和AGC功能的高集成度中低頻放大器,它具有低功耗、低噪聲的優(yōu)點,并且允許用戶自定義該器件的增益、帶寬、輸入阻抗及噪聲性能,以滿足自身應(yīng)用的需求,其內(nèi)部功能框圖如圖2所示。

圖2 AD8338功能框圖

AD8338的基本增益函數(shù)是線性的,增益范圍為0～80 dB。該芯片通過調(diào)節(jié)增益控制引腳輸入端的電壓控制衰減網(wǎng)絡(luò)的衰減因子,實現(xiàn)可調(diào)增益放大。其增益公式為:

(6)

式中:G(dB)為可變增益放大器的增益量,VGAIN為增益控制電壓。當(dāng)GAIN引腳的增益控制電壓從0.1 V～1.1 V變化時,即可實現(xiàn)AD8338的增益在0～80 dB范圍內(nèi)變化。

AD8338內(nèi)部AGC功能可以通過自動改變內(nèi)部增益來維持恒定的輸出電壓。VAGC引腳為自動增益控制電路的電壓,此引腳控制AGC電路的目標(biāo)均方根輸出電壓。其工作原理為:AGC電路將放大器的輸出電壓與VAGC引腳需要的輸出電壓相比較,基于比較結(jié)果,DETO引腳流出或者流入電流至GAIN引腳,改變GAIN引腳電壓,從而改變增益大小。目標(biāo)輸出電壓等于VAGC與VREF的絕對壓差,即:

VRMS=|VAGC-VREF|

(7)

輸出均方根電壓與VAGC、VREF之間的關(guān)系如圖3所示,AD8338的基準(zhǔn)電壓VREF為1.5 V,當(dāng)VAGC設(shè)為1.5 V時,目標(biāo)輸出電壓最低,施加的電壓偏離1.5 V基準(zhǔn)電壓時,目標(biāo)輸出電壓提高。

AGC電路原理圖如圖4所示。因為超聲波回波信號很微弱,為了AGC電路能夠正確處理回波信號,需要通過前置低噪聲放大器將信號放大才能進(jìn)一步處理。前置放大后的信號通過引腳INPR進(jìn)入AD8338,放大后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),進(jìn)行后續(xù)信號處理。為了確保AGC電路反應(yīng)足夠迅速以及時調(diào)整增益,同時足夠慢以允許信號通過,需要在DETO引腳與地之間連接電容C12。由上文可知,目標(biāo)輸出均方根電壓與VAGC和VREF之間的壓差有關(guān),將VAGC的電壓設(shè)置為0.75 V,利用式(7)可計算得到輸出均方根電壓為0.75 V,即對應(yīng)的峰峰值電壓為2.12 V,在ADC的動態(tài)范圍內(nèi)。AD8338使用內(nèi)

部AGC功能,不需要通過外部電路去控制增益電壓引腳,電路簡單,便于實現(xiàn)。

圖3 輸出均方根電壓與VAGC-VREF的關(guān)系

圖4 AGC電路原理圖

3 實驗結(jié)果及分析

為了驗證設(shè)計方案的準(zhǔn)確性及可靠性,在Multisim平臺上進(jìn)行了仿真驗證。實驗中分別設(shè)置了4種不同幅度的40 kHz正弦波輸入信號加入到AD8338的輸入端,圖5給出了設(shè)計的自動AGC電路補償后的結(jié)果。

由圖5可以看出,當(dāng)系統(tǒng)分別加入峰峰值1 V、200 mV、100 mV、20 mV信號時,輸出電壓都能維持在2.1 V的穩(wěn)定范圍內(nèi)。這說明通過AGC電路處理后能夠順利放大不同距離處的超聲波回波信號,從而表明自動增益控制設(shè)計能夠滿足系統(tǒng)的需求。

在實驗室環(huán)境對測距開發(fā)板進(jìn)行實驗,開發(fā)板實物圖如圖6所示。在距離50 cm處測量回波信號波形如圖7所示。

測距距離為30 cm～5 m,對同一距離測量3次,實驗結(jié)果如表1所示。

表1 測距實驗結(jié)果 單位:mm

由表1可知,超聲波測距系統(tǒng)存在30 cm的盲區(qū),測距范圍為30 cm～5 m,誤差在1 mm以內(nèi),線性度良好。實驗因系統(tǒng)采用收發(fā)一體式的超聲波傳感器,所以存在較大的盲區(qū)距離。實驗結(jié)果表明,使用AD8338構(gòu)成的AGC電路實現(xiàn)了高精度的測距要求。

圖5 不同幅值的輸入信號下的輸出信號波形

圖7 50 cm處回波信號

圖6 系統(tǒng)實物圖

4 結(jié)論

由于超聲波在介質(zhì)中傳播時會發(fā)生衰減,當(dāng)測距距離較遠(yuǎn)時,檢測到的回波信號幅度很小,無法準(zhǔn)確提取到回波首波到達(dá)時間。根據(jù)超聲波的衰減特性,提出了AGC電路補償回波幅值,能夠準(zhǔn)確提取放大后的回波信號到達(dá)時間。實驗結(jié)果表明:通過可變增益放大器AD8338組成的AGC電路后回波的幅值基本保持不變,提高了系統(tǒng)精度。與傳統(tǒng)AGC電路相比,本方案性能穩(wěn)定,動態(tài)范圍大,并且不需要額外的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)控制增益引腳電壓,電路結(jié)構(gòu)簡單,能夠?qū)崿F(xiàn)不同的放大增益,準(zhǔn)確補償超聲波在傳播過程中的衰減,本電路具有較高的實用價值和廣闊的應(yīng)用前景。

致謝

本文研究得到了合肥科盛微電子科技有限公司的大力支持,在此表示感謝!

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Design of Auto Gain Control Circuit in Ultrasonic Distance Measurement System*

WANGQun1,XUGaobin1*,CHENXing1,MAYuanming1,JINChuanen2,OUGengzhou2

(1.Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province,School of Electronic Science and Applied Physics,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.Silicon Ark Technology Co. Ltd,Hefei 230000,china)

Considering ultrasonic attenuation and small echo signal during ultrasonic transmission,this paper analysed the root cause,and designed 80 dB large dynamic range auto gain control circuit for ultrasonic compensation with variable gain amplifier AD8338. Experimental results show that the AGC circuit is simple and don’t need other control units. In addition it can effectively compensate the ultrasonic attenuation,and improve the system precision.

ultrasonic distance measurement;auto gain control;variable gain amplifier

項目來源:國家863計劃項目(2013AA041101)

2016-04-18 修改日期:2016-06-24

TP274.2

A

1005-9490(2017)03-0597-05

C:1220

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.016