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Thema: Ultraschall - Entfernungsmessung: Empfängersignalverstärkung

  1. #1
    Erfahrener Benutzer Roboter-Spezialist Avatar von Thegon
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    Ultraschall - Entfernungsmessung: Empfängersignalverstärkung

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    Hallo zusammen,

    ich bastle gerade an einem Ultraschall - Entfernungsmesser herum, der Entfernungen per Laufzeitmessung des Ultraschall Impulses ausrechnen soll. Ich benutze dazu Piezo - Ultraschall Kapseln mit einer Resonanzfrequenz von 40 kHz. Die Erzeugung des Signales besteht bis jetzt aus einem Funktionsgenerator und der Sendekapsel, das Echo soll durch die Empfangskapsel registriert und dann weiterverarbeitet werden.
    Die Kapsel funktioniert wunderbar, ich erhalte ein Wechselstromsignal mit einr Freq. von 40 kHz und einer Amplitude von ca. 50 - 100 mV. Das ist ist natürlich zu wenig, um es später mit einem Atmel Controller zu erfassen, also habe ich eine Verstärkerschaltung aufgebaut.

    (siehe Anhang, der Quarz soll den Empfänger - piezo darstellen, weil ich eine Kapsel nicht gefunden habe, R3 ist ohne Bedeutung, das Poti hat 250k maximalwiederstand)

    Wenn ich das Poti auf 0 ohm einstelle, erhalte ich am ausgang genau das gleiche signal wie am eingang, wie es sich für diese Schaltung eben gehört.

    Das Problem besteht darin, dass wenn ich das Poti aufdrehe, also die verstärkung vergrößere, dann ist das signal einfach weg!
    Am ausgang sieht man mittels Oszi nur mehr leichtes Rauschen, aber keine Spur von der ursprünglichen Wechselspannung.
    Ich wäre sehr dankbar, würde mir jemand sagen können, wo in der Schaltung der Fehler liegt bzw. ob die Schaltung überhaupt so funktionieren kann, gegebenfalls was ich verändern müsste, damit es funktioniert.
    Danke im Voraus,

    Mfg Thegon
    Miniaturansichten angehängter Grafiken Miniaturansichten angehängter Grafiken ultraschallinterface.jpg  

  2. #2
    Erfahrener Benutzer Lebende Robotik Legende Avatar von PICture
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    Hallo!

    Am einfachsten wäre den R4 durch entsprechenden Kondensator mit GND zu verbinden.
    MfG (Mit feinem Grübeln) Wir unterstützen dich bei deinen Projekten, aber wir entwickeln sie nicht für dich. (radbruch) "Irgendwas" geht "irgendwie" immer...(Rabenauge) Machs - und berichte.(oberallgeier) Man weißt wie, aber nie warum. Gut zu wissen, was man nicht weiß. Zuerst messen, danach fragen. Was heute geht, wurde gestern gebastelt. http://www.youtube.com/watch?v=qOAnVO3y2u8 Danke!

  3. #3
    Erfahrener Benutzer Roboter-Spezialist Avatar von Thegon
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    Das heißt einen Kondensator in serie mit dem Widerstand R4 schalten, einen Kondensatorpol gegen Masse. Aber welchen Wert müsste der Kondensator dann haben bzw. was bewirkt er, dass ich den Wert ausrechnen könnte?
    Mfg Thegon

    EDIT: Ah, der Kondensator hat so eine Art Tiefpasswirkung, oder? Hilft es mir dann, höhere Frequenzen herauszufiltern?

  4. #4
    Erfahrener Benutzer Lebende Robotik Legende Avatar von PICture
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    Der Kondensator sollte den verstärkungdefinierenden Widerstandteiler (R4 + Poti) nur für Wechselspannung (AC) mit GND kurzschliessen.
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  5. #5
    Erfahrener Benutzer Roboter-Spezialist Avatar von Thegon
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    Wow, Danke PICture,
    es hat jetzt etwas länger gedauert, denn ich habe erst draufkommen müssen, dass eine meiner Krokodilklemmen kaputt war
    Es hat wunderbar funktioniert, ich habe einfach nach gefühl einen 100n Kondensator genommen, und jetzt lässt sich die Amplitude bis ca. 3 V effektiv regeln. Ich denke, wenn ich den Kondensatorwert noch etwas optimiere, werden die 5 V für den müC noch herauszuholen sein, oder ?
    Danke aber auf jeden fall, du glaubst nicht, wie oft ich diese Schaltung schon aufgebaut habe, immer wieder ein bisschen anders, in der Hoffnung, dass es etwas hilft...
    Mit freundlichen Grüßen,
    Thegon

  6. #6
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    Der Kondensator reduziert die Verstärkung für kleine Frequenzen, insbesondere für die Gleichspannung vom Offset. Viel mehr an Amplitude wird man da mit einem anderen Wert nicht raus hohlen können. Eher den Kondensator noch etwas kleiner so 10 nF damit 50 Hz noch besser unterdrückt werden.
    40 kHz sind schon relativ schnell . Der im Plan gezeigte LM324 sollte da kaum noch gehen da sollte es schon ein OP mit viel Bandbreite sein, sonst wird die Verstärkung durch die Bandbreite des Verstärkers begrenzt. Schon um von 100 mV auf 3 V so kommen braucht es einer 30 fache Verstärkung und eine Bandbreite (GBW) des OPs von über 1,2 MHz. Ein Signal von 3 V sollte für den µC aber allemal ausreichen.

  7. #7
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    Also, ich habe das ganze jetzt auf einer Lochkarte aufgelötet, und es funktioniert zwar, aber die Verstärkung ist zu wenig. Du hast völlig recht, der LM324 schafft nicht wirklich die verstärkung, die er laut wiederstandsverhältnis sollte.
    Ich habe einen lf353 gefunden, der hat eine Bandbreite von 4 MHz, laut datenblatt. Ich habe es mit dem versucht und das Resultat könnte besser nicht sein, man kann die verstärkung hinaufdrehen, bis das signal zum 12V rechtecksingal wird, es ist fast egal, in welchem abstand sich die Wand befindet.
    Danke für die Antwort, sie war wirklich hilfreich!

    Jetzt muss ich das signal nur noch gleichrichten, um es gebrauchen zu können. Ich denke da an einen Diodengleichrichter mit Gättungskondensator. Würde so etwas funktionieren oder gäbe es da bessere alternativen? Ich kenne eine Schaltung mit 2 OPV´s, aber die funktioniert bei mir nicht, weil es irgentwie mit dem Offset nicht zusammenstimmt.

    Noch eine Andere Frage zum generieren des signales:
    Ich habe bis jetzt immer den Funktionsgenerator verwendet, und das hat auch wunderbar funktioniert. Jetzt habe ich ein Rechtecksignal mit dem NE555 erzeugt, und es funktioniert ebenfalls wunderbar. Damit ich aber entfernungen messen kann, brauche ich ja nur kurze Impulse von villeicht 20 Schwingungen. Ich hätte jetzt gedacht, dass ich mit dem müC einfach den NE55 ein und dann auch gleich wieder ausschalte. Ich würde dann einfach einen Transistor vor die Versorgungsspannung hängen, so dass man ihn eben 500 uS ein und dann wieder ausschaltet, das wären dann 20 Schwingungen bei 40 kHz.
    Kann so etwas funktionieren?
    Mfg Thegon

  8. #8
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    Zitat Zitat von Thegon Beitrag anzeigen
    Ich denke da an einen Diodengleichrichter mit Gättungskondensator. Würde so etwas funktionieren oder gäbe es da bessere alternativen? Ich kenne eine Schaltung mit 2 OPV´s, aber die funktioniert bei mir nicht, weil es irgentwie mit dem Offset nicht zusammenstimmt.
    Der Messgleichrichter mit 2 OPV's ist sicher besser und man kann den Offset mit einem seriellen Kondensator vom AC entfernen. Das gleiche Problem besteht beim einfachen Gleichrichter mit einer Diode.

    Zitat Zitat von Thegon Beitrag anzeigen
    Jetzt habe ich ein Rechtecksignal mit dem NE555 erzeugt, und es funktioniert ebenfalls wunderbar. Damit ich aber entfernungen messen kann, brauche ich ja nur kurze Impulse von villeicht 20 Schwingungen. Ich hätte jetzt gedacht, dass ich mit dem müC einfach den NE55 ein und dann auch gleich wieder ausschalte. Ich würde dann einfach einen Transistor vor die Versorgungsspannung hängen, so dass man ihn eben 500 uS ein und dann wieder ausschaltet, das wären dann 20 Schwingungen bei 40 kHz.
    Kann so etwas funktionieren?
    Es wird sicher funktionieren. Einfacher und Amplitudenstabiler wäre ein schaltbarer Rechteckgenerator mit Logik-Gättern und der Kapsel als Resonator (genauso wie Quarzoszillator).

    Ich habe mich bisher praktisch damit nicht beschäftigt, denke aber, dass kein verzögernder Gleichrichter nötig ist und bei ausreichender Amplitude man mit der erster Flanke des Echos ein messungsendenden "interrupt" auslösen könnte.
    Geändert von PICture (04.08.2011 um 13:02 Uhr)
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  9. #9
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    Das Signal zum Senden kann der µC auch direkt erzeugen, entweder per PWM oder notfalls auch durch Verzögerungen in Software. Den NE555 könnte man da eventuell noch als Treiber gebrauchen. Die US Kapsel gleich als Resonator mit zu nutzen wird hier nicht gehen, weil man so keinen schnellen Anstieg bekommt, sondern ein eher langsames Anschwingen.

    Eine Gleichrichtung braucht man nicht - den Anfang des Signals bekommt man direkt aus dem Signal. Welche Polarität passt muss man ggf. Probieren.
    Was eventuell hilfreich ist, ist eine von der Zeit abhängige Verstärkung, um das mit dem Abstand abnehmende Signal zu kompensieren. Das geht aber eher mit einem Transistor als Verstärker, nicht so gut mit einem OP. Im RN-Wissen-bereich ist da ein guter Artikel zum US Empfänger.

  10. #10
    Erfahrener Benutzer Lebende Robotik Legende Avatar von PICture
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    Zitat Zitat von Besserwessi Beitrag anzeigen
    Die US Kapsel gleich als Resonator mit zu nutzen wird hier nicht gehen, weil man so keinen schnellen Anstieg bekommt, sondern ein eher langsames Anschwingen.
    Nur zum Erklärung: ich habe ständig schwingenden Oszillator gemeint, der durch ein Gatter am Ausgang geschaltet wäre.
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