超声波测距系统接收电路研究

摘要：介绍了超声波测距系统原理，针对超声波测距系统中常用的40 kHz超声波信号，提出了超声波接收电路设计原则，采用了集成运放OP27构成的同相放大器、仪表放大器、CX20106A红外接收芯片3种方案来检测超声波信号，设计了3种方法对应的接收电路，分析了各自的特点。
关键词：超声波测距原理；超声波接收电路；同相放大器；仪表放大器；CX20106A

    超声波是指振动频率高于20 kHz的机械振动，其指向性好，能量集中，穿透能力强，在传输过程中衰减较小等优点，同时具有光的反射、折射、聚焦等一系列特征。超声波检测具有速度快、成本低、精度高、可操作性强、工作稳定，适合短距离测量定位。因此其在生产，科研，生活等方面有着非常广泛的应用。超声波测距具有实时，不受环境干扰，非接触等一系列优点。在超声波测距系统中，系统采用频率为40 kHz的超声波信号，文中主要针对该频率的超声波信号接收电路进行设计。

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控制下由B1向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物立即返回来，测距系统在B2接收到反射波就立即停止计时。在标准情况下，超声波在空气中的传播速度为340 m／s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即：S=340t／2，声速确定后，要测得超声波往返的时间，即可求得距离，这就
是超声波测距的基本原理。在超声波测距系统中，通常发射与接收探头之间有一定距离，为了提高测量精度，需要考虑图l中指示夹角θ。

    其中，超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数，当需要测量的距离H远远大于L时，则(4)变为：。所以，只要需要测量出超声波传播的时间t，就可以得出测量的距离H。

2 超声波接收电路设计原则
    在信号检测处理整个过程中，超声波探头接收的信号非常微弱，只有毫伏级，其不可避免地要受到各种干扰的影响，这必定给信号处理带来困难。为了确保检测信号的准确性，超声波接收电路的设计必须注意：1)接收电路必须是低噪声的放大器，因其身的就是一个噪声源，而前端输出的信号很小可能淹没在放大器的噪声中。2)连接接收电路与超声波接收探头时注意阻抗匹配。3)接收电路应具有足够的带宽和增益。

3 超声波接收电路
3．1 同相放大器
    同相放大器构成的超声波接收电路如图2所示，在电路中，放大部分采用的是低噪声运放OP27由构成的同相放大器，由于接收到的信号幅度为毫伏级，所以需要将其放大500倍使得其接收到的信号不会被干扰信号给掩盖。在第一级的放大电路中，R2取值为470 kΩ，R1取值为10 kΩ；在第二级放大电路中，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。第一、二级放大增益：
    
    由(5)、(6)式知超声波接收电路增益为：Af=Af1·Af2=528

    电路特点：1)电路输入阻抗为达数十MΩ，输出阻抗只有数十Ω，其带负载能力较强。2)电路抑制干扰能力较差，温漂严重。3)电路采用低噪声运放OP27，在一定程度上降低了放大器自身噪声，但同时也限制电路的带宽，在电路增益为500时，带宽为60 kHz。
3．2 仪表放大器
    仪表放大器是精密差动电压放大器，其源于运算放大器，但优于运算放大器，其独特的性能使其在传感器信号放大、数据采集、精密电子仪器设备、医疗仪器等方面广泛被采用。
    仪表放大器构成的超声波接收电路如图3所示，其有两部分构成，第一级由A1、A2组成，均采用高阻抗同相输入形式且结构对称，使得电路的漂移和失调都有互相抵消的作用；第二级由A3组成差动放大电路，同样具有很高的共模抑制比、极高的输入阻抗，与前级匹配。电阻R1=R2、R3=R4、R5=R6，调节Rp的电阻值，即可调节放大倍数，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)由上式仪表放大器的增益即可由电阻R1、R3、R5预置，也可根据需要通调节Rp设置仪表放大器的增益。

    核心器件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、共模抑制比的运放；A1、A2运放的特性尽可能一致，电路采用了OP-07。电阻、电容的确定，在低噪声电路中，电阻选用低温度系数的电阻精密金属膜电阻，以获得尽可能低的漂移其噪声指数可达到0．2～1μV。放大器的放大倍数Au我们设定为10～10 000可调，根据Au=R5／R3(1+2R1／VR)，选取R1=R2=10 kΩ，R3=R4=2 kΩ，R5=R6=20 kΩ，Rp=10 kΩ足以满足Au。电路中的C主要滤除信号中的高频干扰成分，采用用云母电容或瓷片，均可降低电路噪声。
    电路特点：1)电路具有抗共模干扰，抑制温漂功能。2)具有低噪声、高输入阻抗、低线性误差、高共模抑制比、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点。3)具有增益100～1 000可调，带宽达到100 kHz，集成运放改用宽带集成运放可提高接收电路响应带宽。
3．3 CX20106A构成接收电路
    超声波接收集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，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较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。CX20106A构成的超声波接收电路如图4所示，该电路主要有集成电路
CX20106A和超声波探头构成，其利用CX20106A做接收电路载波频率为38 kHz；通过适当的改变C3的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

    工作原理：CX20106A集成芯片是集放大、限幅、带通滤波、峰值检波和波形整形电路为一体的芯片。当超声波接收探头接收到超声波信号时，压迫压电晶体做振动，将机械能转化成电信号，由红外线检波接收集成芯片CX20106A接收到电信号后，对所接信号进行识别，若频率在38～40 kHz左右，则输出为低电平，否则输出为高电平。
    电路特点：1)CX20106A输出的是电平信号，只能对标准距离作定性的判断，不能作为定量距离测量。2)CX20106A芯片外电路结构简单，使用简洁方便，价格低廉。3)CX20106A芯片中的滤波器为带通，带宽较窄，限制了噪声，但同时也限制了自身接收信号频率范围。4)具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力，适当调节电容C3的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

4 结论
    超声波测距系统中，接收电路是核心电路。超声波接收电路直接决定了测距系统所测的数据准确度，在设计电路时，需调整部分分立元件的参数，以保证电路准确性。文中采用了同相放大器、仪表放大器、CX20106A 3种方案作为超声波接收电路，分析了3种方案的性能和特点。实验证明同相放大器、仪表放大器、CX20106A构成的超声波接收电路均适合超声波测距系统。