基于FPGA的超聲波傳感器前端電路設(shè)計

李志剛，齊賢偉，張延成

（南京理工大學(xué) 機械工程學(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)試驗等方面[1]，因此對于風(fēng)速和風(fēng)向的測量顯得尤為重要，其中超聲波傳感器在風(fēng)向、風(fēng)速的測量中應(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，實驗顯示，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)計也相當(dāng)重要[2]。文中設(shè)計了一種基于FPGA的超聲波傳感器前端處理電路，包括發(fā)射接收電路和信號調(diào)理電路。通過FPGA控制在壓電陶瓷片兩端加載超聲頻率的電脈沖信號，使壓電陶瓷片產(chǎn)生相同頻率的機械震蕩，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，壓電陶瓷片會將超聲波信號轉(zhuǎn)換為交變電壓信號，在經(jīng)過后續(xù)電路處理后，輸入到FPGA中進行分析，最終得到風(fēng)速、風(fēng)向的信息。

2.2.3 居民對福州城市林業(yè)成效感知差異性分析 就福州市民對福州城市林業(yè)綜合評價的單因素進行方差分析，結(jié)果(表5)顯示，福州市民對城市森林在各區(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)，臺江區(qū)與晉安區(qū)、倉山區(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信號是由產(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，考慮對于場效應(yīng)管的驅(qū)動，采用MOSFET集成驅(qū)動芯片。選用TI公司的TPS2811D芯片，既起到隔離作用又能驅(qū)動 MOSFET管[3]，并且輸出信號總是有很快的轉(zhuǎn)換速度。

當(dāng)TPS2811D芯片輸出高電平時，Q2導(dǎo)通，電源、L1和R4形成通路，此時，電源為L1和C6充電。當(dāng)TPS2811D芯片輸出由高變低時，Q2斷開，而電感L1中的電流不能突變，并且會產(chǎn)生阻礙電流變小的自感電動勢，L1、C6和D4形成通路，從而為電容C6繼續(xù)進行充電，當(dāng)電容C6充滿時，電流為零，電容通過L1、D2和VR1開始反向放電，此時VR1兩端會產(chǎn)生相應(yīng)的電壓脈沖?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)VR1的大小來調(diào)整傳感器Y1兩端的激勵電壓大小以產(chǎn)生不同頻率的超聲波信號。另外，場效應(yīng)管Q2相當(dāng)于一個容性負載，由于其PN結(jié)的作用產(chǎn)生寄生電容，導(dǎo)致關(guān)斷時需要時間變長，因此設(shè)計了由PNP晶體管（Q1）組成的快速放電電路，寄生電容通過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，但同時導(dǎo)致Q2開關(guān)速度變慢，綜合考慮，選擇R3的阻值為50 Ω。

第二，旅游產(chǎn)品價格公開化。在該板塊中，旅游經(jīng)營商對每個產(chǎn)品進行編號，明碼標價，進行合理的競爭。管理部門不定期查訪明顯不合理的低價產(chǎn)品。在板塊中設(shè)立第三方支付，鼓勵游客所有的交易都經(jīng)過第三方，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)營商才能獲取收益。

系統(tǒng)接收到的超聲波信號頻率是200 kHz，因此應(yīng)將非200 kHz頻率的無用信號過濾。本設(shè)計選擇美信公司的有源濾波器MAX275，通過利用MAX275內(nèi)部的兩個二階濾波器級聯(lián)實現(xiàn)四階的帶通濾波器對超聲波傳感器接收信號進行濾波，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

接收電路相對簡單，此時超聲波傳感器將空氣中的超聲波轉(zhuǎn)化為交變電壓信號，后續(xù)電路對這個電壓信號進行處理。二極管D3是防止作為接收電路時，信號影響驅(qū)動電路。

2 超聲波傳感器信號調(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)計中，取 R6為 10 kΩ，C7為 1 μF，高通截止頻率則為16 Hz。而對于本設(shè)計，輸入模擬信號的頻率范圍為200 kHz，因此符合設(shè)計要求。

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，對其手術(shù)及穿刺活檢病理結(jié)果進行跟蹤，所有患者年齡35～59歲，平均（43.6±2.8）歲，其中31例BI-RADS分級3類，21例BI-RADS分級4～5類。

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

圖3 MAX412運算放大電路Fig.3 The MAX412 operational amplifier circuit

經(jīng)過電壓跟隨器的模擬信號進入第二級放大，第二級放大采用電壓負反饋反相放大，設(shè)計中放大倍數(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來計算，即

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

圖2為采用MAX412芯片設(shè)計的運放電路原理圖。第一級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，又可以在被測信號源與數(shù)據(jù)采集電路之間起到隔離作用。為了對信號源呈現(xiàn)穩(wěn)定的負載，在電路的輸入端并聯(lián)了一個電阻R6，此時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含有較高的直流分量時導(dǎo)致放大器輸出飽和。電容C7和電阻R6實際上構(gòu)成了一個高通濾波器，其高通截止頻率可以通過公式（1）計算：

電路中對運放進行了幾點保護。輸入端接入兩個二極管D5、D6和電阻RS構(gòu)成雙向限幅電路來進行輸入保護；為防止正負電源極性接反，利用二極管D7、D8的單向?qū)ㄐ阅軄肀Ｗo；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遍，都不見它的身影。

2.3 帶通濾波電路

相對于傳統(tǒng)的超聲波傳感器大多采用大功率的場效應(yīng)管和變壓器來產(chǎn)生高壓脈沖作為激勵信號來驅(qū)動傳感器的情況，整體電路設(shè)計的復(fù)雜度降低，電路的調(diào)試簡單，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幅度保持一個比較穩(wěn)定、合理的范圍，使用了自動增益控制放大電路。選用美國ANALOG公司的AD603芯片，且設(shè)定它的增益為-10~30 dB，帶寬為90 MHz，滿足由前級放大濾波后的超聲波交變電壓信號的放大要求。在使用AD603芯片前，需要對信號進行降噪聲處理，并且可以起到隔離作用，電路圖如圖5所示。

表1 各個外接電阻值Tab.1 Value of external resistance

2.4 AGC自動增益控制放大電路

某些電阻值可由設(shè)計人員自行確定，其他的則可以利用芯片數(shù)據(jù)手冊的公式計算方法來確定阻值，最終所得各個電阻值如表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)成了一個檢波器，作用是檢測電路輸出信號幅度的變化。當(dāng)AD603輸出信號幅度發(fā)生變化時，晶體管Q3和晶體管Q4的兩個集電極電流之差就會隨著變化，從而使通過電容Cav的電流也隨之變化，Cav兩端的電壓（自動增益控制電壓VAGC）會隨AD603輸出信號幅度的變化而變化。當(dāng)VAGC上升時，引起增益增大，當(dāng)VAGC下降時，引起增益減小?？梢娡ㄟ^VAGC的自動變化就達到了自動調(diào)整放大器增益的目的。經(jīng)仿真，當(dāng)VR4阻值為249 Ω時，效果最佳。電容Cav的值會影響AGC的時間常數(shù)，此處取0.1 μF。

很快就開學(xué)了，扒鍋街的孩子只有那一座學(xué)?？扇?，劉佳他爸在學(xué)校門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我呢，不過我不怕，等他一走，我立刻拉著劉佳去玩了。

2.5 電壓比較電路

經(jīng)過前述相關(guān)處理后，超聲波電信號仍然是交變的電壓模擬信號，不能直接送入FPGA中進行處理。在本設(shè)計中，不需要將整個的交變電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的數(shù)字信號在FPGA中處理，因此可以采用電壓比較的方式將模擬信號裝換為數(shù)字信號。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立，并分別可以進行鎖存使能控制；另外，器件均能接受差動輸入信號并具有互補性的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)過多次試驗后，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

未進行任何處理的超聲波交變電壓信號中含有很多的噪聲，無法直接拿來使用，如圖8所示。

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

例如，教師在介紹音樂家馬思聰時，讓學(xué)生自愿結(jié)成小組，根據(jù)劇中人物的故事來表演小品。在回答問題時，教師和學(xué)生都要給予鼓勵和支持，在學(xué)生表演完小品后，讓學(xué)生體會到集體互助的樂趣，使學(xué)生更加主動地參與到音樂表演活動中，開展音樂競賽實踐活動，培養(yǎng)學(xué)生的音樂興趣。比如，教師可以組織學(xué)生進行小組對抗比賽，男女對抗比賽，通過演奏樂器、吹拉彈唱以及舞蹈的形式進行相互間的比賽。同時，在課外活動中，學(xué)生可以在教師的指導(dǎo)下組建音樂興趣小組，積極參加社區(qū)音樂活動，從而增強學(xué)生的社會服務(wù)感，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)音樂的積極性和主動性，體會到學(xué)以致用帶給自己的樂趣。

4 結(jié) 論

在利用超聲波傳感器進行風(fēng)速和風(fēng)向測量中[6]，超聲波探頭的前端電路對系統(tǒng)性能的影響非常大。本文設(shè)計的前端電路有其獨特的優(yōu)點，整體電路設(shè)計的復(fù)雜度較低，電路的調(diào)試簡單，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、信號處理電路符合設(shè)計要求，達到了預(yù)期目的。

圖6 AD603自動增益控制放大電路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Fig.8 Untreated ultrasonic alternating voltage signal

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

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[3]Texas Instruments.TPS2811， TPS2812， TPS2811， TPS2811，TPS2811 DUAL High-Speed Mosfet Drivers[EB/OL].（2002-3-20）[2013-04-09].http://www.ti.com.cn/general/cn/docs/lit/getliterature.tsp?genericPartNumber=TPS2811&fileType=pdf.

[4]陳學(xué)永.超聲波氣體流量計[D].天津：天津大學(xué)，2004.

[5]Maxim Integrated Products.Single/Dual， Ultra-Fast， Low-PowerPrecision TTL Comparators Datasheet[EB/OL].（2009 -11 -10）[2013 -04 -09]. http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX912-MAX913.pdf.

[6]張延成，李志剛.基于LMS自適應(yīng)時延估計和FPGA的超聲波測風(fēng)系統(tǒng)研究[J].應(yīng)用聲學(xué)，2013（1）1:51-56.

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