Ultraschall sender/empfänger verschiedene fragen

**pointhi** · 24.12.2011, 11:38

Hy,

ich möchte selber ein Ultraschall Sende/Empfangsmodul mittels PIC realisieren.

Meine Idee für den Sender wäre:

1.) erzeugen eines 40khz signales am pwm-ausgang
2.) Filtern der Oberwellen
3.) Verstärken des signales auf die ausgangsleistung mittels einem oder mehreren Operationsverstärker
4.) Schalten der Ultraschallkapsel mittels Transistor oder FET (bei nulldurchgang vom signal) wenn gesendet werden soll.

Das ganze will ich, damit böse überaschungen ausbleiben zuerst auf LT-Spice simulieren und danach einen prototypen mittels Lochrasterplatine bauen. Leider hab ich probleme, das signal zu verstärken. Ich will wegen der einfachen beschaffbarkeit für die senderverstärkung einen LM741 nutzen, der nach Aussagen des Datenblattes keine probleme bei 40khz haben sollte. (Wenn die ausgangsleistung nicht passt werde ich ihn aber ersetzen, hab gerade die daten der ultraschallkapsel nicht da).
Leider ergab sich das problem, wie es bei mir leider zu oft (in real und virtuell) bei mir auftritt, der verstärker dämft und verunstaltet das signal, als es zu verstärken.

Mal ein paar bilder dazu:

Die aktuelle schaltung:

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Und die messergebnisse:

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Das Blaue signal wurde dabei zwischen den Bauteilen C1 und R4 gemessen und schaut genau so aus wie gewollt.
Das Gründe signal dagegen wurde zwischen U1 und C2 gemessen und zeig komischerweise ein rechtecksignal, auserdem ist es abgeschwächt gegenüber dem eingangssignal. Das ergebniss konnte durch variation von R4 und R9 aber nicht verbessert werden, bzw. durch andere beschaltung des OP mittels der beiden widerstände.

habt ihr eine ahnung was ich falsch gemacht habe?, den LM741 für spice musste ich herunterladen, er sollte aber korrekt funktionieren. Wenn ich zuhause ein oszilloskop hätte würde ich das ganze mal am steckbrett aufbauen.

Nachtrag:

Fragen:

-> wäre es sinnvoll den sender und oder empfänger in der Verstärkerleistung regelbar zu machen (mittels pic mehrere widerstände dazu/wegschalten)
-> Könnte man teroretisch, wenn man auf den roboter mind. 3 ultraschallempfängerkapseln hat eine sendekapsel orten (richtung +/- 20°), ich werde auf den roboter warscheinlich bis zu 5 dieser module rauftun und alle werden mittels CAN verbunden sein.
-> Habt ihr links zu seiten die entsprechende schaltpläne beherbergen (die nicht zu umfangreich sind, die auswertung erfolg komplett digital, also sende/empfängerstufe)
-> Wie stark würden sich mehrere Ultraschallsender stören, und wäre es sinnvoll alle im gleichtakt aussenden zu lassen, oder müssen alle nacheinander senden und empfangen (Das ganze soll bei robocup genutzt werden, und da könnten dann über 15 solcher ultraschallsende/empfänger in betriebt sein (die von unseren 2 roboter und die des anderen teams), ich will das ganze so programmieren dass sich die roboter so wenig wie möglich stören (analyse der vorhandenen signale, absprache mit den ultraschallsendern der eigenen roboter). Ich weiß leider nicht wie oft die ultraschallentfernungsmesser der SRF-Reihe in der sekunde messen, diese werden nämlich sehr häufg beim robocup verwendet.
-> Wie stark könnte sich der Dopplereffekt auswirken, bzw. wie breitbandig sollten die eingangsfilter sein. Die Filter werden abstimmbar sein, aber die Bandbreite wird sich dadurch nicht ändern. Die Aktuelle Filterkurve ist relativ steil, wie ich sie in LT-Spice ermitteln konnte. Hab sie mir aber nicht genauer angeschaut. Der Filter wird auserdem sowieso noch einmal mit erhältlichen Bauteile berechnet.

Frohe Weihnachten, pointhi

**RedBaron** · 24.12.2011, 16:34

Hi,

warum willst du denn das Rad neu erfinden? Schau einmal hier:http://www.arexx.com/arexx.php?cmd=system&cparam=set_pg_lang%28p_asuro_ downloads.dat|DE|true%29
Da ist der Plan vom ASURO US-Sensor. Es gibt auch einen Quellcode. Zwar für einen AVR, aber a der Code in C geschrieben ist, sollte es keinen nennenswerte Probleme bei der Übersetzung nach PIC geben. Der Sensor arbeitet mit einem "Chirp" und vermeidet dadurch, dass der Sender den Empfänger verstopft.

Ansonsten solltest du -wenn du 5 von den Dingern einsetzten willst- mal nach einer Varianten schauen, die mit einer Kapsel auskommt. So wie dieser: http://www.shop.robotikhardware.de/s...roducts_id=168

Plan hierfür kann ich leider nicht ad hoc bieten.

Viele Grüße und frohe Weihnachten
RedBaron

**Besserwessi** · 25.12.2011, 13:45

Der OP LM741 ist für eine Ultraschallsignal eher reichlich langsam. Zum einen hat man bei 40 kHz nur noch eine etwas 25 fache Verstärkung. Man ist also schon weit weg vom Idealen OP, reicht aber noch zur Verstärkung eine kleinen Empfangssignals. Dazu kommt noch die begrenzte Anstiegsgeschwindigkeit (Slew rate) - die wird die Ursache für das Dreieckssignal am Ausgang sein, schneller als bei dem Signal kann die Spannung sich einfach nicht ändern. Bei kleinerer Amplitude sollte es mit der Schaltung dann besser gehen.

Zum Ultraschall gibt es aber schon viele fertige Schaltugen, z.B. hier:
http://www.rn-wissen.de/index.php/Ultraschall-Interface

Wie man an der Schaltung sieht, muss man das Signal gar nicht filtern, denn die Ultraschallkapseln sind haben schon Bandpasscharakter. Man könnte theoretisch schon mit 2 (besser aber 3) Kapseln eine Richtung bestimmen, einfach über die Laufzeit. Das ist aber im Ultraschall Bereich nicht so einfach, weil die Ultraschallkapseln eine Richtwirkung haben, und durch die schmalbandige Empfindlichkeit auch noch eigene Verzögerungen hineinbringen.

Der Dopplereffekt wird erst bei viel höheren Geschwindigkeiten störend groß.

**pointhi** · 14.01.2012, 17:05

ich bin jetzt schon wesentlich weiter (empfang von ultraschallsignalen, generieren des sinussignales + verstärkung), hab jetzt den verstärker mittels BC547C realisiert, da ich ihn auch schon erfolgreich bei einem 10MHz oszillator eingesetzt habe, und 40khz kein problem für ihn sind.

Meine Frage wäre jetzt, ich nutze die kapseln: UST-40T und UST-40R, wobei der Mittlere Schalldruck (1W/1m) beim sender 120dB beträgt. Die Kapsel selber wird mit der aktuellen schaltung derzeit mit einer Amplitude von etwa +-5,5V (spitzespitzewert 11V) betrieben. Die Impendaz von einer kapsel soll mehrere kiloohm bei resonanz sein. Wenn ich jetzt mit den 11V und mit angenommen 10k rechne komme ich auf eine Lautstärke von etwas über 100db auf 1m, würde das stimmen? Der schalldruck wäre dann etwa 2Pa. Wie groß wäre dann die lautstärke beim sender?, damit ich den empfänger so dimensioniere damit er beim senden nicht übersteuert.

Villeicht werde ich die schaltung noch so modifizieren können dass ich eine amplitude von über 12V erreiche. Der sender selber hat die spezifikation:
Eingangssignal 20VRMS max.
Heißt dass das, wenn ich GND an einen pin des senders anschließe dass ich 20V maximal über/unter GND sein darf oder das der spitze-spitze wert maximal 20V ist?

Empfindlichkeit: 5,0mV/Pa/1kHz Diese einheit verwirrt mich ein wenig, da die kapsel ja eine bandpasscharacteristik besitzt. Heißt das dass ich bei 40khz und 1Pa 5mV oder 200mV habe?

Ich würde mich freuen wenn ich antworten, oder entspr. Links dazu bekomme. Hab nichts auf die schnelle gefunden.

mfg. pointhi

**Besserwessi** · 14.01.2012, 20:32

20 VRMS heißt ein Effektiv wert von 20 V. Das ist bei Sinusform eine Spannung mit Werten zwischen etwa -28V und + 28 V (+-20 mal Wurzel 2). Bei Rechteckform wären das halt abwechseln +20 und -20 V.

Um die Daten zum Schalldruck zu verstehen müsste man schon die ganzen Daten haben - so ist das noch nicht ganz schlüssig. Leider gibt es auch Datenblätter die einfach nur schlecht sind und offensichtliche Fehler enthalten. Da hilft im Zweifelsfall einfach nachmessen, z.B. mit 1 m Abstand.

**pointhi** · 15.01.2012, 14:34

dann sollte ich die 20VRMS wohl nicht überschreiten, auch wenn ich mittels gut dimensionierten schwingkreisen aus 12V wesentlich mehr herausholen könnte. Muss ich bei überschreitung halt ein wenig verstimmen. Daten gibt es leider nicht wirklich viele, und ein 40khz mikro mit deffinierten ausgangswerten besitze ich auch nicht. Die datenblätter von ELV sind kompletter schrott:

Die daten vom UST-40T:

UST-40T UVP in € 5,49
Bestell-Nr. 23.1240
Ultraschall-Keramik-Kapseln
in hoher Qualität, verwendbar als US-Mikrofon (Receiver UST-40R) oder als Signalgeber
(Transmitter UST-40T), z.B. für Alarmanlagen.
Erstellt am 10.09.2010, 11:29 Uhr MONACOR INTERNATIONAL GmbH & CO. KG
Zum Falsch 36 | D-28307 Bremen
© MONACOR INTERNATIONAL GmbH & CO. KG. Änderungen und Irrtümer vorbehalten.
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Technische Daten Ultraschall-Kapseln
Mittl. Schalldruck (1W/1m) 120dB
Frequenz 40kHz, ± 1kHz
Empfindlichkeit 5,0mV/Pa/1kHz
Kapazität 2400pF
Eingangssignal 20VRMS max.
Abmessungen Ø 16mm x 12mm

mehr hab ich nicht. Beim Reichelt: http://www.reichelt.de/Sensoren/UST-...T=0&OFFSET=16&
gibt es ein datenblatt mit kenlinien, ect. Diese sind aber eigentlich für den 400ST/R160, also alle werte und kennlinien sind mit vorsicht zu geniesen. Allgemein ist diese kapsel sehr schlecht dokumentiert. hab keine anderen daten dazu gefunden.
Die daten in diesm PDF sind:

400ST160 Transmitter
400SR160 Receiver
Center Frequency 40.0±1.0Khz
Bandwidth (-6dB) 400ST160 2.0Khz
400SR160 2.5Khz
Transmitting Sound Pressure
Level
at 40.0Khz; 0dB re 0.0002mbar
per 10Vrms at 30cm
120dB min.
Receiving Sensitivity
at 40.0Khz 0dB = 1 volt/mbar
-65dB min.
Capacitance at 1Khz ±20% 2400 pF
Max. Driving Voltage (cont.) 20Vrms

sie sind also die gleichen wie beim "standarddatenblatt" von reichelt.

Mit der aktuellen schaltung sollte ich nach deren kennlinien schon über 120db schaffen, die impendanz soll 10k sein, was ich morgen in der schule nachmessen werde. Ich werde wohl oder übel einfach die schaltung auf lochraster aufbauen müssen und schauen ob alles passt.