可精确测距的低成本超声子系统

1 确定增益，保证接收传感器在指定发送传感器和接收器条件下能够提供足够的信号摆幅。本例中，采用1000倍增益。

2  利用两极运算放大器提供1000倍的增益，采用反相放大器以获得较好的共模性能：

① 偏置电压由同相放大器设置。

② 建立偏置电压允许接收传感器交流耦合至放大器，同时提供高通滤波。放大器还具有可调节的输入阻抗，以便从传感器获得最大功率(传感器的数据手册通常提供相应参数)。

第1级(OP1)增益设置为100，经过第1级放大之后的噪声电平必须控制在可接受的范围内。

3 利用MAX4329中的另一路运放构建第2级反相放大器，由于第1级放大器和第2级放大器之间具有相同的直流偏置电平，两极之间不需要交流耦合。放大器配置为反相放大时会拾取高频噪声，因此第2级放大器可以配置成低通滤波器，从而使两级放大器共同构成一个1阶带通滤波器。

4 第2级放大器输出信号必须足够大，送入施密特触发器后转换成40kHz的方波信号。也可以利用MAX4329的第3个运算放大器构建施密特触发器，施密特触发器的滞回电压由下式计算。

滞回电压=VccR7/（R7+R8）=160mV，Vcc=6V。

5 直流偏置电压设置为Vcc/2，电池放电时可以跟踪电池电压，始终保持最大动态范围，通过电阻分压器得到该电压。选择电阻时需要注意，过小的电阻会导致静态电流过大，很快将电池能量耗尽；电阻过大时，会引入较大噪声。但热噪声可以通过陶瓷旁路电容C3滤出，连接在电阻分压器之后的运算放大器OP4为偏置电压提供一个低阻节点并满足施密特触发器的工作电流要求。

回波检测与距离计算

一旦捕获到回波信号，微控制器可以检测脉冲信号并根据延时计算距离。检测脉冲时，定时器B处于捕获模式(见图5)。

图5  微控制器中的定时器B

将EXENB设置为1使能定时器的捕获功能，超声接收机的输出应该送入定时器的TBB引脚，利用TBPS[2:0]位设置定时器的时钟频率。第一次IR中断使能定时器，TBB引脚从1到0的跳变使定时器B的计数值(TBV)传输到捕获寄存器(TBR)并置位EXFB标志。如果使能，EXFB标志置位还可以产生一次中断。

TBR寄存器的数值包含了发射脉冲与接收脉冲之间所经历的定时器时钟数，根据时钟周期即可计算出历时时间。这个延迟时间内还包括了系统的延迟时间，计算发送与接收传感器之间的距离时需要考虑这一因素。

传感器应用电路

系统中可以使用两种类型的传感器配置，具体选择取决于物理架构。

图6(a)使用独立的TX和RX传感器

图6(b)单传感器系统中

采用独立的TX、RX传感器时，微控制器的IR驱动器连接到一个外部放大器，用于驱动超声TX。接收端，RX的超声信号经过放大后转换成数字信号(通过放大器和比较器实现)，然后将该信号送到微控制器的16位定时器输入端(见图6a)。共用同一传感器时，利用变压器提高输出信号的幅度(见图6b)。

作者：Maxim公司 Franco Contadini Milin