Ultraschall Entstörung

[MNjuniors42]

@vohopri: Es bestünde für mich die Möglichkeit ein Oszi in der Schule zu benutzen, gerade sind aber Ferien^^
Für mich daheim habe ich mir ein Sound-Oszi gebastelt, das in einem gewissen Rahmen funktioniert (ich habe es bisher für PWM-Geschichten benutzt). Bei einem Ultraschall-Signal wird es aber schon sehr kritisch, das stimmt, da: Offset (Gleichspannungsanteile) kann nicht gemessen werden, den exakten Verlauf von 40kHz kann eigentlich von keinen LineIn-Eingang gemessen werden und die Amplitude ebenfalls nicht. Was ich bisher gemacht habe ist, schauen ob das Signal gleichmäßig ist oder irgendein wirrwar (das entspräche einer Störung)
Ich hänge mal ein paar Bilder ran.



Bild1 zeigt das Signal nach dem 2.OPV
Blid2 nach dem Sallen-Key Filter
Bild3 nach dem 2.OPV, bei ausgeschaltetem Sender und einem Schlag gegen den Empfänger
Bild4 nach dem Sallen-Key Filter bei ausgeschaltetem Sender und einem Schlag gegen den Empfänger

Bisheriger Stand: es scheint so als ob ich erfolgreich die Schaltung entstört habe.
Kurze Erklärung zu meiner Schaltung:
In den ersten 2 Schritten verstärke ich das Signal und entstöre es durch 2 Kondensatoren in Reihe (bringt aber eher nix), dann kommt ein Sallen-Key-Filter (wie vorgeschlagen ), und zum Schluss ein Komparator der den Pegel für den uc angleicht.

Zum Sallen-Key-Filter: Berechnet habe ich es mit dem Programm AktivFilter 3.1... und da ich absolut keine Ahnung von solchen "komplizierteren" Filtern habe, stand gleich vor dem ersten Problem: Charakteristik? Bessel? Butterworth? Tschebyscheff? Spielt das eine Rolle für mein Vorhaben? Ich glaube ich habe letzteres genommen^^
In meiner Schaltung passiert allerdings folgendes: Das Signal wird absolut richtig entstört, testweise habe ich ein 1-25kHz Signal draufgegeben, was nicht druchkam und wenn ich an den Empfänger stoße, so verzerrt das Signal auch nicht mehr. Aber komischerweiße wird das Signal nicht mehr verstärkt, das bedeutet: wenn ich den Sender immer weiter entferne so bleibt die Amplitude (siehe Bild2) gleich bis plötzlich kein Signal mehr da ist...

Zur Programmierung:
Nur als kleine Verständnishilfe, wie ich vorgehen muss: Zuerst einen Ultraschallpuls von 2,5ms Länge (?) aussenden, und dann einen Timer aktivieren der einfach nur hochzählt, einen weiteren Timer aktivieren der bei jedem overflow eine ISR aufruft, die überprüft ob der pin high oder low ist (dieser Timer sollte möglichst schnell sein, zb Timer0 (8bit) bei einem Atmega8 bei 8Mhz, löst alle 32mikrosekunden einen overflow aus), wenn das ereignis stattgefunden hat, den zählerstand des 1.timers auslesen und man hat die zeit und damit den weg...
oder muss ich noch etwas warten zwischen dem puls aussenden und dem überprüfen, wegen schall in querrichtung o.ä.?


Mfg

[Besserwessi]

Wenn die Amplitude mit geringer werdendem Abstand nicht mehr zunimmt ist vermutlich ein Stufe in die Sättigung gegangen. Das kann bei relativ langsamen LM358 auch die Grenze durch die Slew-rate sein.

Bei der Programmierung sollte man nach dem Puls noch etwas warten, denn es kann leicht auch ein direkte Einkopplung geben, so dass man dann zu früh ansprechen würde. Wie lange hängt vom Aufbau ab, das müsste man probieren oder nachmessen. Zum Empfangen nimmt man am besten einen interruptfähigen Eingang, und löst damit einen Interrupt aus. Das erspart einem das ständige abfragen und den 2. Timerinterrupt. Im Interrupt kann man dann die Zeit aus dem 1. Timer auslesen, oder man nutzt dazu gleich die ICP Hardware, die das schon erledigt. Wenn man mag könnte man auch gleich den AVR internen Komparator nutzen statt dem halben LM293. Als zusätzlichen Schutz gegen Störungen könnte man nicht nur die Zeit für die erste Flanke messen, sondern z.B. etwa 10 Flanken abwarten, und dann kontrollieren ob nach der ersten Flanke auch noch mindestens 2-8 weitere mit dem etwa passen Abstand von 25 µs folgen. Nach einer gewissen Zeit, z.B. dem Überlauf von Timer 1 wird die Messung dann ggf. abgebrochen weil kein Puls mehr kommt.

Eine ggf. sinnvolle Erweiterung wäre ein mit der Zeit zunehmende Verstärkung, denn das Signal von weiter entfernten Objekten ist in der Regel schwächer. Damit ließe sich die Wartezeit am Anfang reduzieren und die volle Empfindlichkeit (und damit auch Störempfindlichkeit) hätte man nur bei größeren Entfernungen.

[MNjuniors42]

Stellt denn eine Sättigung ein Problem dar? Das heißt ja nur das die Verstärkung größer wäre als die Versorgungsspannung (und damit nicht möglich), aber bei einem ganz schwachen Signal verstärkt er dann entsprechend? D.h. wenn die Entfernung gering ist geht er in die Sättigung und bleibt bei seiner bestimmten Amplitude und bei einer großen Entfernung verstärkt er entsprechend das Signal.
Beim internen Komparator gibt es ja keine Hysterese, bei Störungen u.a. auf der Versorgungsleitung würde er doch sofort umschalten? (So sauber ist kommt das Signal ja schließlich nicht aus dem Filter)

[vohopri]

Hi,

das Software-Oszi zeigt schon recht brauchbar, dass das jetzt gut geht. viel Erfolg!

Frage: hast du schon die Abstimmung von deinem Filter auf die Nutzfrequenz überprüft? Wenn du die Sendefrequenz komfortabel etwas variieren kannst, dann geht das ja leicht.

[Besserwessi]

Ein verstellend er Sendefrequenz ist bei den meisten US Wandlern für Luft keine Option - die haben nur eine geringe Bandbreite (ca. 1 kHz) . Entsprechend muss der elektronische Filter, sofern man den überhaupt braucht, nicht so schmalbandig sein. Da sollte der Abgleich dann nicht mehr so kritisch sein. Eine zu geringe Bandbreite will man auch gar nicht, denn damit wird auch das Einschwingen langsamer und damit die Messung ungenauer bzw. schwieriger. Schon die geringe Bandbreite der Wandler ist da ggf. nicht so schön.

Die Sättigung ist eigentlich kein Problem, solange die Amplitude ausreicht. Ohne eine variable Verstärkung kann man eine Sättigung auch kaum vermeiden weil das Signal am Anfang einfach oft viel stärker ist. Die Sättigung muss nicht durch die Begrenzte Versorgungsspannung kommen, das kann gerade beim langsamen LM358 auch durch die slew rate (und ggf. die Totzeit beim Stromrichtungswechsel) kommen. Für eine ernsthaft Anwendung sollte man den LM358 wirklich durch was besseres ersetzen. Die fehlende Hysterese beim internen Komparator ist ggf. wirklich nicht so schön. Man könnte auch einen normalen digitalen Eingang des AVR nutzen, die haben eine kleine, aber feste Hysterese - die Einstellung müsste dann über die Verstärkung erfolgen.

[MNjuniors42]

Die Abstimmung habe ich überprüft, der Filter (Sallen-Key) wirkt auch nur als Hochpass (ich konnte bisher keine höheren Schwingungen feststellen, weshalb ich keinen Bandpass brauche). Frequenzen unterhalb von 30kHz werden definitiv geblockt, wie es genau dazwischen aussieht (ab wann das Signal um wieviel Prozent schächer wird etc.) muss ich noch überprüfen.
Das mit der geringen Bandbreite kann ich so nicht bestätigen, ich habe testweiße ein 30kHz Signal auf den Sender gegeben, dies wurde genauso vom Empfänger aufgenommen. (nach dem 2.OPV hatte ich genau dieses Signal wieder gemessen) Entweder bei mir in der Messung/Schaltung stimmt etwas nicht, oder meine Ultraschallsensoren sind anders...
Ausgelegt sind sie definitiv für 40kHz, laut Beschreibung.

Ach ja am Rande: Der Sender und Empfänger sind 2 verschiedene Stromkreise mit 2 uc´s. Als Sender habe ich auch bisher nur als Programm:
while(1){PORTC^=(1<<PC0); _delay_us(12.5);}

Ich werde vorerst beim lm358 bleiben und dort mein Bestes versuchen, ein besseren OPV muss erst noch bestellt werden. So ganz schlecht kann er nicht sein, immerhin empfange ich ja etwas. Bisher funktioniert es etwa so: gehe ich mit meinem Sendersystem weit weg (oder schalte es aus), leuchtet eine LED am Empfängersystem nicht, nähere ich mich (auf etwa 50cm), so leuchtet die LED. Der Sender wird aktuell noch mit 5V betrieben, ich schließe noch einen Transistor ran und verstärke es auf 12V, womit ich wesentlich weiter kommen sollte.
Die Zeitmessung fehlt bisher noch.

Der interne Komparator funktioniert anscheinend recht gut (werde es wohl mit diesem machen anstatt mit dem lm293), ich vergleiche das Signal aber nicht mit 0V sondern mit etwa 0.2V.. das sollte zumindest Störungen ausgleichen...

[Besserwessi]

Die etwas höhere Schwelle für den Vergleich kann man für den Komperator auch nutzen. Wenn man mag, könnte man die Schwelle auch von der Zeit abhängig machen. Das wäre dann eine ganz einfache Version einer von der Zeit abhängigen Empfindlichkeit.

Den Tausch von LM358 zu was besseren kann man ggf. auch noch später mache - die OPs sind fast alle pinkompatibel.

Die Wandler haben eine recht ausgeprägte Resonanz um 40 kHz, aber auch bei 30 kHz sollte die Sendeleistung und Empfindlichkeit noch für eine direkte Übertragung reichen. Ob man jetzt 30 kHz oder 35 kHz nimmt macht da noch keinen so großen Unterschied, aber von 38 kHz bis 40 kHz könnte sich deutlich was verstärken. Mit der Begrenzung sieht man die Resonanz ggf. auch nicht so richtig solange die Amplitude groß ist.

Für mehr Sendeleistung lieber eine Ansteuerung als Brücke wählen, sonst brächte man noch einen Kondensator dazu damit man keine DC Spannung mit drauf hat.