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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(jī)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(jìn)行分析，最終得到風(fēng)速、風(fēng)向的信息。

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FPGA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，并且輸出信號總是有很快的轉(zhuǎn)換速度。

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

超聲波傳感器接收到的噪聲信號的幅值很多都在1V以上，比有用的交變電壓信號幅值要大很多，所以應(yīng)在信號進(jìn)入后置電路前進(jìn)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?.7V，而我們所需要的有用交變信號幅值遠(yuǎn)小于0.7V，因此可使一部分噪聲信號過濾掉。

2.2 前置放大電路

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(jìn)行放大處理。

圖3為采用MAX412芯片設(shè)計的運(yùn)放電路原理圖。

2.3 帶通濾波電路

系統(tǒng)接收到的超聲波信號頻率是200kHz，因此應(yīng)將非200kHz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(shí)現(xiàn)四階的帶通濾波器對超聲波傳感器接收信號進(jìn)行濾波，如圖4所示。

2.4AGC自動增益控制放大電路

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-10~30dB，帶寬為90MHz，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(jìn)行降噪聲處理。并且可以起到隔離作用，電路圖如圖5所示。

如圖6所示為AD603自動增益控制放大電路原理圖。

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(jìn)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(dú)立，并分別可以進(jìn)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(bǔ)性的TTL兼容輸出。由于噪聲的影響，閾值不能選取理想的0V，在此經(jīng)過多次試驗(yàn)后，選擇0.2V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(jìn)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9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。

文章摘自：李志剛, 齊賢偉, 張延成. 基于FPGA的超聲波傳感器前端電路設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程, 2013, 21(21):133-136.