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作者：汪仁里

此款超聲波報警電路能精確測量入侵物的距離。因為聲波傳輸速度每秒340m，光波傳輸每秒3×l0(5)km，從發射到1m外的物體反射到接收，聲波經過時間約5.9ms，用周期l00ns電脈沖來計數，含有59000個脈沖。同樣距離光只需6.6ns。
　　比一個TTL門電路的傳播延遲要15ns小一半�？梢娪寐暅y短距離比光容易。
　　主要元器件：發射器部分主要有集成電路74HC04、74HC00各一塊，超聲發射傳感器MA40S2S一個。接收器部分主要有集成電路TL084、74HC74各一塊，超聲接收傳感器MA40S2R一個。兩部分合裝在一塊印制板上。超聲傳感器的結構如下圖，就像一個縮小的壓電陶瓷片，尺寸小了，諧振頻率就高了。頻率高到20kHz以上，人耳就聽不見了，這就是超聲。市售的超聲傳感器常常用在38—40kHz。為了加強收發能力，在陶瓷片前加一個喇叭狀共振振子，原理就像喊話的喇叭筒一樣。圖示是市售常見的開放型的，在喇叭振子前有一個開孔的外罩。因為孔的尺寸遠遠小于超聲波波長，外罩對聲波的阻擋作用很小。還有一種防滴漏型超聲傳感器，外殼密封，陶瓷片按裝在外殼內側。后者的效率不如前者。超聲傳感器的阻抗是電容型的，電容量約1600pF，單用一個CMOS門驅動力不足，一般用2-3個門并聯驅動。

　　工作原理：如上圖和下圖所示。發射頭發出一束40kHz的超聲波，其持續時間T1小于1ms而間隔時間達幾十毫秒。如果在1m內有人存在，人體吸收了一部分波，反射了一部分波，發射波到達接收頭要延遲兩個l/340s約5.9ms。和發射同步產生一個“一米限制脈沖”，其脈沖寬度為T2=T1+5.9ms，在T2為高期間，有回波，說明人在1m線內，過了T2高電平期間，即使有回波，就是人在1m以外，不能啟動報警。D觸發器正好有這個功能，將“一米限制脈沖”作為D輸入，“回波”作為CP，CP上升期間D輸入送到Q。圖中回波信號1使Q=l，回波信號2使Q=0。

　　發送器電路分析如下圖所示。U1為6反相器74HC04，UU，U1_2構成CMOS多諧振蕩器，為了做到輸出不對稱，b點低電平使的充電回路和b點高電平使的放電回路有差別，a高b低，經過D1，W1，C1充電快。a低b高，經過R2，W1，C1放電慢。a點波形符合“一米限制脈沖”。調整W1，使其正脈寬為6.6ms左右。
　　當b點正沖超過VCC+0.7V或負沖低于-0.7V，CMOS輸入寄生二極管有電流且鉗制電壓0.7V，加快充放電時間，見下圖右上角國內輸入等效圖。電源電壓越高，正負沖越大，電源電壓波動會影響振蕩頻率，串入R1，輸入寄生二極管的電流大大減小，減少了電源電壓對頻率的影響。
　　從a點的波形中取出前0.7ms成為波形e。第一步，a反相得c，第二步，C3，R3組成微分電路。C3把c的上升，下降的突變傳輸到U1_3的第5腳。R3已將5腳拉高。上升突變對U1_3不起作用，下降突變5腳變低使U1_3反轉，VCC通過R3對C3充電，經過約0.693×R3×C3時間回到5腳高。見下圖中波形d。第三步，d反相整形得e：低電平多，高電平是窄脈沖。

　　40kHz振蕩器；U1_6，U1-5構成CMOS多諧振蕩器，W7調整頻率到40kHz。R4的作用是減少電源電壓波動影響，C1，C4不能用溫度系數大的CT型瓷介電容，最好用CB型聚苯乙烯電容。為什么不能用信號e控制40kHz脈沖振蕩器，而要先做連續振蕩，然后再通過U2調制？因為CMOS多諧振蕩器起振階段不穩定，而信號e只有0.7ms很窄�？偣�28個脈沖。還沒有穩定就叫停了。波形很不好。

　　超聲驅動級。根據參數，超聲發送頭最大驅動電壓可加20多伏，在SV系統為了提高輸出功率的方案為：
　　1．晶體管驅動，用輸出變壓器升壓方案；2.CMOS門電路雙相驅動。如果一個驅動門單端輸出到超聲頭，最大的峰-峰值是Vcc，用輸入信號相位相反的兩個門雙相驅動超聲頭，一會兒是j高k低，一會兒是j低k高，等效峰-峰值是2×Vcc。電壓升2倍，輸出功率提高4倍。本設計用方案2。U2有4個門，兩兩并聯。當信號e為0，4個門統統輸出1，Z1兩端電位相同，起阻尼作用，制止Z1因慣性的振蕩輸出。信號e為1，U2上兩門和下兩門的輸入信號是相反的，輸出j,k。見下圖右側圈內的波形。

接收器電路分析：接收頭信號峰-峰值約10mV，設計放大150倍，放大器末級輸出峰-峰值l.5V,R18/R19+W3分壓的直流電平為：1.25~2.4V，啟動D觸發器CP電平是2.5V，所以所需的附加交流脈沖信號的峰-峰值為1.5~0.lV（最不靈敏到最靈敏），調節范圍很寬。W3不能調到太靈敏。靈敏度太高，多次反射的回波或雜波輸入引起誤動作。
　　因為做在一塊板上，通過電路板，發射頭Z1的振動會傳到接收頭22，而且信號很大。晶體管VT1在發射周期脈沖為1時導通，短路22.信號過不來。R20/R21分壓1NCC，輸入到AL3的10腳，AL3的8、9腳短接形成跟隨器，輸出低內阻的中心電壓vs。這種辦法比用2個1K電阻分壓得VS好得多。C19起高頻旁路作用。L1起電源退耦作用，A1:TL084的第4腳，U3:74HC74的14腳接到Vccr端。U3的不用輸入端一律也接Vccr端。
　　5倍增益選頻放大器。選用TL084，其引線與324相同，增益帶寬積是324的3倍�！�15V電源時為3MHz．單5V時超過500kHz。40kHz最大增益12.5倍，現在做5～6倍沒有問題。大家知道：反饋電阻RF．反相端輸入電阻RI，如果信號從同相端輸入，運算放大器的放大倍數為K=1+RF/RI;反相端輸入，K：-RF/RI.上圖中，反饋阻抗為并聯的213、215、217，輸入阻抗為串聯的212、214、216,ωc=R時，213=5x212,215=5×214，216=5×217，K分別為6，-5，-5。如何計算阻抗除阻抗，可以用復數的阻抗運算，以第一級為例，用矢量圖解法非常直觀，見下圖。

   
　　當ωc=R時，OAB是一個等腰三角形，串聯阻抗是對角線，并聯阻抗是中高。直觀看出，串聯阻抗=2×并聯阻抗，如①所示。
　　頻率升高，當ωc2×中高。串聯阻抗>2x并聯阻抗，如②所示。
　　頻率降低，當ωc>R時，OAB是一個斜三角形，對角線>2×中高。串聯阻抗>2×并聯阻抗，如③所示。
　　R13、C13并聯，當ωc=R，等效R13/2、C13/2串聯。
　　參考①的虛線。由此得出：213=5×212，放大倍數為K=1+213/212=6。
　　當頻率升高，由②看出，并聯阻抗213小于1/2x（R13-jωC13），213/212小于5，定性看，C13阻抗減小反饋作用增大，增益減小。當頻率降低，由③看出，并聯阻抗213小于1/2×(R13-j(I)C13)，213/212小于5，定性看串聯的C12阻抗增大，反饋增大，增益減小。
　　由于回路的Q很低，電阻電容的誤差在5%內，對接收器增益影響不明顯。比起高Q的帶通濾波器來說，這個電路制作調試比較容易。

　　1m距離判斷電路。U3是一塊雙D觸發器，這里用其中1/2。R、S端接固定高電平，不起作用。當持續有一串回波信號加到U3的CP端時，從第一個到最后一個脈沖上升時間D的狀態都影響Q輸出，小于1m，D高，Q輸出恒高，剛剛超過1m，Q有零點幾毫秒的高長時間為低，以最后一個回波脈沖時D的狀態為持續電平。遠大于1m，Q輸出恒低。調整U3的3腳偏置直流電平，可以調整靈敏度。調節發射器的W1，改變信號a的正脈寬，可以調準到1m。
　　安裝調整。布局主要注意把發射，接收分開。元件較少，布局布線不難實施。先不裝22。在調試前先按下圖做一個簡易毫伏計。接到數字電壓表的DC200mV檔（或2V檔）。數字表讀數就是交流信號有效值。測出U1、U2各腳都有輸出。
　　將U13第5腳和地短路。即信號d短路地，信號e恒高。對ZI施加40kHz的連續波。將22口對口對準Z1，用毫伏計測接收頭的信號電壓。調整W2，使輸出電壓最大。

　　安裝22到接收器輸入端。取消信號d短路。用一本雜志形成超聲反射。由近開始逐步加大距離，毫伏表測Al的各輸出端信號。1米處A1_4的14腳有35mV，就是l00mV峰-峰值了�？紤]到自制毫伏表的損耗。讀數會偏小一點。
　　在U3的第5腳接一個LED，串1K電阻接地。調W3，使靈敏度較高，然后，調W2，校準l米內雜志反射超聲使LED亮，過1m分別調W3，W2，使LED不亮。本警報器就調成了。

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