专题作业( 超音波收发器问题），大大帮我看看哪里出问题

justin_diong

这是我的专题作业：超声波木瓜断程扫描：
以下是我的发射器(40kHz transmitter)线路图：


接受器(40kHz receiver)线路图：


以上的线路行的通吗？

这是接受器脚(40kHz receiver sensor leg)的讯号波：


第一阶段的放大器（op-amp1）的讯号波：


第二阶段的放大器（op-amp2）的讯号波：


问题来了，
1) 我的op-amp1的放大倍数是一百，可是从接受器脚量到的voltage是5。5V.经过op-amp1后，出来的讯号应该被放大100倍，可是我只拿到11。1V 罢了。
是什么原因呢？
（忘记告诉各位大大，接受器和发射器之间的距离是9cm,两者之间没隔着木瓜，只有空气罢了）。

2)op-amp2出来的讯号比op-amp1的来的小，只有10.V罢了。OP-AMP2的放大倍数是10倍，这又是为什么？

两个OP-AMP的IC 号码是LM741.

3)还有一个问题就是：
无论接受器和发射器的距离是多少，从3cm 直到10cm,op-amp1拿到的signal一直是11。1V.(这个读数是从op-amp1的输出脚拿到的)；可是我在接受器的脚(receiver leg)拿到的读数却是随着距离的加大，而变小的。
是不是我的op-amp选错了？

小弟恳求各位大大的帮忙。如果大大看不懂得话，务必提出来，小弟会尽力给于答复。

谢谢了。

[ 本帖最后由 pic 于 27-2-2007 12:31 PM 编辑 ]

pic

我的op-amp1的放大倍数是一百，可是从接受器脚量到的voltage是5.5V.

从接收器的脚量到的是5.5V？？？你是指40khz Ultrasonic receiver 的两个接脚量到5.5V？
这我很怀疑，你确定吗？
就算40khz Ultrasonic receiver 是active component， 也不可能产生5.5V。

可能你要加一个cap在进OpAmp以前？我们要的是放大AC signal。试试看吧。。。

justin_diong

原帖由 pic 于 27-1-2007 02:14 PM 发表

从接收器的脚量到的是5.5V？？？你是指40khz Ultrasonic receiver 的两个接脚量到5.5V？
这我很怀疑，你确定吗？
就算40khz Ultrasonic receiver 是active component， 也不可能产生5.5V。

以上的图是我从digital oscilloscope拿到的读数。
这是我刚量的读数：
发射器和接收器的后面接着两个op-amp都开着电源的时候，两只脚量到的是5。08V。
发射器开电和接收器的后面接着两个op-amp没开电源的时候，两只脚量到的是4.5V。

如果只量接收器的话，发射器没电源，我会拿到20.5mV.
量接收器，发射器有电源的话，我会拿到4.32V.

原帖由 pic 于 27-1-2007 02:14 PM 发表
可能你要加一个cap在进OpAmp以前？我们要的是放大AC signal。试试看吧。。。

好的，我会试试看。那个cap是要放在两个op-amp以前，还是放在op-amp以前就好了？
这个接收器好多的noise喔，我唯有把接收器的protoboard放进铁盒里，然后把铁盒子ground起来，是不是还有其他的好办法来杜绝他的noise.
PIC建议的CAP是不是也起着一定的效用？

现阶段还是试验阶段，所以我用protoboard来做试验，成功了，会搬到donut board上的。

pic

首先，你得到的各种电压，都只是DC而已，不能代表什么。

超音波接收器， 其实和MIC一样的，我们要放大的是AC信号。在R2以前， 接一个0.01~0.1uF的cap。
OPAmp和OPAmp之间， 也可以放电容来连接。
测量接收器J1,在没有发射器的情况下，你是不可能得到40Khz的信号的。

还有， 请确定你的发射器的电源是和接收器分离的，不要共用电源， 这一点对Debug“除错”很重要。

这个接收器好多的noise喔，我唯有把接收器的protoboard放进铁盒里，然后把铁盒子ground起来，是不是还有其他的好办法来杜绝他的noise.

你怎样知道那是noise？如你和发射器共用电源， 那很可能是发射器的信号。
还有，你接收的信号应该是方波的，但你收到的是漂亮的正弦波和三角波，这有一点奇怪，可能是还没加Cap的关系， 或者是内部震荡引起的。

justin_diong

原帖由 pic 于 28-1-2007 04:53 PM 发表
首先，你得到的各种电压，都只是DC而已，不能代表什么。

从哪里一点可以知道是DC？

原帖由 pic 于 28-1-2007 04:53 PM 发表
超音波接收器， 其实和MIC一样的，我们要放大的是AC信号。在R2以前， 接一个0.01~0.1uF的cap。
OPAmp和OPAmp之间， 也可以放电容来连接。

照了PIC的话去做后，接收器和发射器间隔着9cm空气距离拿到的是：
，应该是对了吧，可是讯号波不是那么完美，为什么呢？

接收器和发射器的电源是分开的，发射器的电源是9Vdc,接收器的电源则是15Vdc。

这里觉得纳闷的是如果接收器和发射器之间隔着11cm厚的木瓜，我又得回正玄波了。

原帖由 pic 于 28-1-2007 04:53 PM 发表
测量接收器J1,在没有发射器的情况下，你是不可能得到40Khz的信号的。

这点我还是不明白，小弟事后测试还是能得到讯号虽然接收器没插上电源。

原帖由 pic 于 28-1-2007 04:53 PM 发表
你怎样知道那是noise？

他的讯号不稳定，忽而高V忽而小V,所以小弟有此看法。

小弟不明的还有一点，我的接收器收到的V(peak to peak)都是一个定数（constant value).唯一变的是他的频率（frequency).
7cm空气距离==1。05kHz(方形波)
9cm空气距离==2.30kHz(方形波)
11cm空气距离==4。67kHz(方形波)
30cm的空气距离==40kHz(方形波)
超过30cm空气距离的都是40kHz.(三角波了，奇怪？？？)
如果照着超声波原理，空气是一个电阻，空气距离越大，V应该越小，可是我的却是一样的值，变得只有频率。
问题是出在我选错IC 741了吗？

问了这么多，真不好意识。小弟尝试用PSPICE来得到他的OUTPUT,可是却出现问题。他的波形没能抵达第一个OP-AMP.

***以上的所有的OUTPUT皆是指OP-AMP2的OUTPUT.

还要谢谢PIC大大的教导，小弟我收益良多。

[ 本帖最后由 justin_diong 于 30-1-2007 12:02 AM 编辑 ]

pic

如果照着超声波原理，空气是一个电阻，空气距离越大，V应该越小，可是我的却是一样的值，变得只有频率。

这我不确定， 但照说是应该得到同样的频率才算正常， 只有相位（phase）， 振幅（Amplitude）会变。音波的频率应该不会透过物体而改变，不然我对着木瓜唱歌就会变音了。

看起来是Gain增益太大引起严重的失真（distortion）。
你不妨做一个试验，
1。把Gain从100 换去10，
2。加电容在R3以前，
在回来报告。

justin_diong

看了PIC大大的解说，我把LM741换去LM833(audio amplifier的spec).
并且我也用了10倍的gain罢了，我只用一个op-amp罢了。

除此之外，我也在R3的前面加了0.01uF电容，基本上我拿到的输出波是第五楼的第一个波形，只是现在的波形比较顺了，脚边的很多的分叉现在变成一条直线了。

刚才与朋友讨论后发现一个疑惑，既然我的IC的功能是放大（amplifier)波形，而我在接受器上量到的波形是正玄波（sinewave）,经过放大器1后的波形应该是被提高振辐(amplitude)的正玄波，可是接收器和发射器之间的距离越靠近的话，我拿到的是方形波（square wave）,距离越来越远的话，波形就趋向正玄波。

如果这里IC的功能是COMPARATOR,拿到方形波还是情有可原，可是现在的IC功能主要是AMPLIFIER罢了。是什么原因促使波形的变动。
我们所学到的AMP不就是什么波形进，就什么波形出的。怎么现在和理论不同了？

AMPLIFIER 1的输出V随着接收器和发射器间的距离加长而变小了，波形也从方形波变成正玄波。
从原有的5cm距离==30V下到30cm距离的16。3V.

可是amplifier 2 的波形由始至终还是保持着方形波，没随着距离的增加而改变。

p.s:如果版主不明白我的意识的话，我只好上图了。现在累了，改天才上图了。

pic

刚才与朋友讨论后发现一个疑惑，既然我的IC的功能是放大（amplifier)波形，而我在接受器上量到的波形是正玄波（sinewave）,经过放大器1后的波形应该是被提高振辐(amplitude)的正玄波，可是接收器和发射器之间的距离越靠近的话，我拿到的是方形波（square wave）,距离越来越远的话，波形就趋向正玄波。

其实那不是方波，而是被严重削波后的正弦波，所以你看到像方形波， 也就是我说的失真（Distortion）。
为什么呢？那是因为增益(gain)还是太大，你的电压是+/-15V， 或30V peak to peak，波形都去到28.1V pk-pk。

你会问，增益(gain)我已经set成10了， 为什么还是会失真呢？
那是输入的信号，和距离不成线性的比例（not linear proportional）， 而是对数型（logarithmic）。
当距离很近时，接收的信号突然（对数）递增， 造成失真。

人耳也是(正/反）对数的，夜深人静时， 能听到很远的声音，耳朵对小信号很敏感，但打雷时，又不会聋，因为耳朵对大信号/声音不敏感。
你的放大器是linear的， 但我怀疑你的40Khz接收器不是线性的。

以上只是我的设想而已，供参考，可能不对的。

可是amplifier 2 的波形由始至终还是保持着方形波，没随着距离的增加而改变。

很可能Amp2由始至终都是在失真。

justin_diong

谢谢PIC大大的回复，我会继续寻找适合的IC来解决我现在的问题的。
谢谢。

GeMan

接受器(40kHz receiver)线路图 所用的 amplifier circuit 不理想。

要用 active bandpass filter circuit： http://www.electronics-tutorials ... andpass-filters.htm

而且， 在 ultrasound sensor 及 active bandpass filter circuit 之间加 pre－amp：
http://www.rason.org/Projects/bipolamp/bipolamp.htm

opamp 用 TL０７４， transistor 用 ２N３９０４。

justin_diong

原帖由 GeMan 于 15-2-2007 05:48 PM 发表
接受器(40kHz receiver)线路图 所用的 amplifier circuit 不理想。

要用 active bandpass filter circuit： http://www.electronics-tutorials ... andpass-filters.htm

而且， 在 ultrasound sensor 及 active bandpass filter circuit 之间加 pre－amp：
http://www.rason.org/Projects/bipolamp/bipolamp.htm

opamp 用 TL０７４， transistor 用 ２N３９０４。

请问为什么要用active bandpass filter circuit呢？
pre-amp和普通的amplifier的分别在哪呢？

音魂不散

你以前有做过什么简单点的电子 project吗?
我想跟你借一个......

justin_diong

原帖由 GeMan 于 15-2-2007 05:48 PM 发表
接受器(40kHz receiver)线路图 所用的 amplifier circuit 不理想。

要用 active bandpass filter circuit： http://www.electronics-tutorials ... andpass-filters.htm

而且， 在 ultrasound sensor 及 active bandpass filter circuit 之间加 pre－amp：
http://www.rason.org/Projects/bipolamp/bipolamp.htm

opamp 用 TL０７４， transistor 用 ２N３９０４。

以上的线路图试过了，在木瓜的实验上，拿不到理想的波形。
bandpass filter的fc设定在40Khz,他的bandwidth定在35到45kz之间，可是出来的frequency只在20kHz徘徊。请问哪里出问题了？

justin_diong

原帖由 justin_diong 于 28-2-2007 01:22 PM 发表


请问为什么要用active bandpass filter circuit呢？
pre-amp和普通的amplifier的分别在哪呢？

我已找到答案了。

pic

原帖由 justin_diong 于 10-3-2007 08:41 PM 发表
我已找到答案了。

那何不把你的心得很大家分享呢？

GeMan

原帖由 justin_diong 于 10-3-2007 08:37 PM 发表
以上的线路图试过了，在木瓜的实验上，拿不到理想的波形。
...

木瓜是圆形的。 超音波碰到圆形表面会被反射到其它方向， 少许回反射回 RX 接收器。

justin_diong

原帖由 GeMan 于 12-3-2007 12:30 AM 发表


木瓜是圆形的。 超音波碰到圆形表面会被反射到其它方向， 少许回反射回 RX 接收器。

geman大大的意思是：“超音波还没进到木瓜肉里的时候，绝大部分的音波因为木瓜表面是圆的而被放射出去了？ ”

超声波的发射器是40kHz.为什么接受器收到的讯号有者高达MHz，用了大大介绍的bandpass filter，尝试限制讯号在35-45kHz的范围，可是oscilloscope量到的是在20kHz附近罢了。
是不是我的resistor和capacitor的值计算错误？
我的fc=40kHz
    BW=(45-35)kHz=10kHz
    gain per stage=5
    C =0.1uF,
从以上的值，我能拿到Q=4
                    R1=32
                    R2=318
                    R3=6
资料:http://www.electronics-tutorials.com/filters/active-bandpass-filters.htm

接好后，就只能拿到20kHz,各位大大，可以给小弟一些意见吗？
跪求了。

justin_diong

原帖由 pic 于 11-3-2007 08:34 AM 发表

那何不把你的心得很大家分享呢？

active bandpass filter使用在少过200kHz的频率。
大过200kHz频率的bandpass filter叫passive bandpass filter.

pre-amp功能和amplifier一模一样。只是它用在circuit的最前面，所以加个"pre"咯。
pre-amp前面有时也能加个buffer,buffer的功用是减少无谓的讯号，大多数是noise.

小弟才疏学浅，有错的话，还请各位努力拍砖。小弟也是因为毕业论文的缘故，才知道这些electronic circuit的真正的用途，不过现在还是在努力摸索当中。有错，千万记得拍砖喔。

GeMan

－－我的fc=40kHz
    BW=(45-35)kHz=10kHz
    gain per stage=5
    C =0.1uF,
－－从以上的值，我能拿到Q=4
                    R1=32
                    R2=318
                    R3=6

＃＃很好的努力。

R１＝３２ohm ，R２＝３１８ohm， R３＝６ohm 吗？
如果是， 那就大问题了。
R１，R３ 必须在 kohm range。

如 Q＝４，gain＝５
用 C＝１nF
R１＝３。１８kohm
R２＝５９０ohm
R３＝３１。８kohm


或，试用 C＝１nF
R１＝８。２kohm
R２＝（open）
R３＝１６０kohm

opamp＝TL０７４

GeMan

－－geman大大的意思是：“超音波还没进到木瓜肉里的时候，绝大部分的音波因为木瓜表面是圆的而被放射出去了？ ”

＃＃我的意思是：
超音波碰到平面（flat）的物体， 大约９０％的超音波反弹回 RX sensor。

超音波碰到圆面（curve）的物体， 只有大约２０％～４０％的超音波反弹回 RX sensor。

所以用超音波， detect 平面的物体 比 detect 圆面的物体 ， 来的容易。

木瓜表面是圆的， 不容易 detect ， active amplifier circuit 要好，最少 ３ 个 stage， 加 １ 个 pre－amp， 共 ４ 个 stage。