超声波测距系统如何设计？这几个电路 藏着秘诀

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：c.jpg。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。