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专题作业( 超音波收发器问题),大大帮我看看哪里出问题

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发表于 26-1-2007 10:13 PM | 显示全部楼层 |阅读模式
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 ]
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发表于 27-1-2007 02:14 PM | 显示全部楼层

回复 #1 justin_diong 的帖子

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。。。
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 楼主| 发表于 27-1-2007 05:06 PM | 显示全部楼层
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。
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发表于 28-1-2007 04:53 PM | 显示全部楼层
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。
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 楼主| 发表于 29-1-2007 11:44 PM | 显示全部楼层
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 ]
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发表于 30-1-2007 11:15 AM | 显示全部楼层

回复 #5 justin_diong 的帖子

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。
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 楼主| 发表于 1-2-2007 12:19 AM | 显示全部楼层
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。
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发表于 1-2-2007 11:49 AM | 显示全部楼层

回复 #7 justin_diong 的帖子

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。
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 楼主| 发表于 6-2-2007 03:42 PM | 显示全部楼层
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。
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发表于 15-2-2007 05:48 PM | 显示全部楼层
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。
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 楼主| 发表于 28-2-2007 01:22 PM | 显示全部楼层
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?
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发表于 7-3-2007 06:08 PM | 显示全部楼层
你以前有做过什么简单点的电子 project吗?
我想跟你借一个......
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 楼主| 发表于 10-3-2007 08:37 PM | 显示全部楼层
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?
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 楼主| 发表于 10-3-2007 08:41 PM | 显示全部楼层
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。
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发表于 11-3-2007 08:34 AM | 显示全部楼层
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?
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发表于 12-3-2007 12:30 AM | 显示全部楼层
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。
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 楼主| 发表于 15-3-2007 03:25 PM | 显示全部楼层
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。
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 楼主| 发表于 15-3-2007 03:35 PM | 显示全部楼层
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。
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发表于 15-3-2007 06:43 PM | 显示全部楼层
--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
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发表于 15-3-2007 06:51 PM | 显示全部楼层
--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。
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