超声波测距电路-清华模电实验报告

杨晶生 011433 《模电综合实验报告》电子工程系 2003 年夏季小学期项目 模拟电路专题实验：实验报告姓名：杨晶生 学号：011433 班级：无 19 同组人：李晗 实验时间：2003 年 9 月 1 日～3 日 实验地点：电子电工实验室 222 房间 04 号桌 交报告时间：2003 年 9 月 9 日-1-90的QD有一个正沿）。

由于我们大体认为数电计数部分不应该有问题，就没有注意，直到第二天的晚上才发现。

改过来以后，示数范围才正常了。

（上面的电路中，最下面的接出到1Hz调制电路的端应当是非门的输出，而非输入；电路后来编辑成图的时候画的有误。

）3．超声波脉冲产生（40kHz）同样利用滑动变阻器，我们得到一个大概的电阻值，不过这部分，在R2、R3端，如果只使用1k或1.2k的电阻都误差太大，所以通过15k电阻并联得到。

最后的频率大约是40.1～40.2kHz。

（计算机模拟同样并不完全符合，以当场的调试结果为准。

）4．调制发射电路原来的设计是1Hz左右（16/17Hz）的脉冲的占空比为1/16。

但实际由于二极管检波的失效，我们需要对回波信号加D触发器处理，还是要借助于发射端清零。

（具体电路和原理见下面）但这样的问题就是在发射脉冲为1时，就有一段不能测得距离。

我们尽量缩小这个距离，现在的结果是10厘米。

占空比也相应改为10/16000＝1/1600。

同时为了加大输出效果，在原先输出的基础上加了非门组。

5．寄存器电路及显示扫描电路显示扫描电路没有任何改动。

寄存器的部分由原来直接接入回波处理信号改为加一个D触发器之后再接入。

原因是原先的回波处理以二极管检波为基础，处理之后结果应当是一个只有一个脉冲的方波；但实际电路中发现二极管检波很不好用，故不得不放弃了二极管检包络。

这样回来的信号就是一个由大约是40kHz方波调制组成的1Hz左右方波脉冲。

通过上面的那个D触发器来实现变为一个脉冲。

这里需要大致解释一下这里的原理。

在一个1Hz左右的周期中，首先是1Hz的脉冲跳变为1，这时其反为0，Q反接到上面D触发器的D端，对其清零。

等到1Hz变为0，清零完毕，这之后，如有回波处理后的信号出现（已经做取反处理），第一个脉冲将其置1，产生上升沿脉冲，再有脉冲来，则在保持和置1的状态之间变换，结果是置1，不会有新的脉冲，从而保证了回波信号来时计数的准确读入。

这里的问题是当1Hz脉冲为1时的一段时间里，即使回波来了，也只有等其完成变0之后，才会起作用，显示的是1Hz变0时的计数值。

这个时间之后来的，则没有这个问题。

都是完全正确的。

这个时间应当尽量短。

我们在上面的电路中设置其为10个计数，即10厘米。

当然也可以利用这个特点，要求中有50厘米内报警。

我们可以设其为50计数，这样50厘米之内就不显示数字，而直接显示50，同时报警。

下面会有相关电路。

波形大致如下：(我们利用的信号是D触发器的上升沿)6．滤波放大电路原先的电路是包括了二极管检波的，后来在第一天下午接好后发现效果还说的下去，当时比较有信心。

到了第二天的时候，突然出现了很多噪音，而且其中有一些噪音是电路中带来的，还有一些是低频的噪音。

几本上到了二极管检波之后，会出现一些莫名其妙的波形，比如一些类正弦的样子，而不是我原先想要的高电平的波浪状波形。

第二天上午为了解决这个问题调试了很久，我认为如果要找出一条解决方法大概要很长时间，而我们对于滤波等又不是很了解。

所以最后我决定放弃二级管检波，而仅仅使用简单的两级低通有源滤波器，这样大概可以将1米左右的信号放大到2V左右的幅度，但是这是有一些低频的和相对高频的（如60kHz左右）的噪声也达到了1V左右，这时通过一个LM311电压比较器设置1V以上的比较电压，将噪声去掉。

在电压比较器输出的地方，通过二极管去掉负电压部分并用电阻网络分压，得到驱动数字电路的脉冲，注意这时要通过一个非门，因为我们使用的D触发器74LS74是用0来置1的。

7．判断报警电路由于最后我们测量距离比较小（只有1.4米左右），所以50厘米以内报警有点太多。

故最后验收用的是10厘米内报警（不包括10厘米）。

电路很简单，与50厘米的比较类似，如下所示：同时我在上面也提到了利用我们最后的电路中，可以设置前面某个计数范围只显示上限的特点，来比较简单的实现报警，不过没有时间来实现，我在这里给出电路（这里的电路和报警距离没有关系，报警距离由接入1Hz处D触发器的clr端的组合逻辑决定。

）8．总体调试过程及其他最后说一下我们的总体调试过程。

第一天的主要内容是连接电路，由于我们使用了很多不是张老师准备的芯片（主要是153和175），同时也有很多电容和电阻没有找到，所以到了下午才将电路基本完成。

没有来得及整体调试。

但当时模拟部分，主要是接受部分，我先使用了40kHz的连续脉冲调试，结果还算不错，主要是当时噪音很少，二极管的检波也比较正常。

然而第二天的上午我将电路大致全部完成后，出现了比较大的噪声，前一天的电路基本上已经不能显示原来的波形，我考虑是否滤波不够，但发现即使我加大电阻或电容，也就是降低极点，但噪声基本上和信号的比例没有变，甚至更大了。

所以我认为噪声可能是低频的。

经过观察，基本上是如此。

而且，当我使用40kHz调制的1Hz方波的时候，接收端的接受效果也相当的不好。

同时，还发现当我们将两个超声波的发、收端对在一起时，这时的接收一定没有问题，但是示数总是在800左右（实际距离为0），而且很快的变化（这显然时接收端的脉冲不稳）。

当天下午的工作开始基本上用在解决二极管检波的问题上。

经过了很多尝试，在下午的实验时间过去了很多的时候，不得不做出必须放弃二极管检波电路的决定。

这其中实在是浪费了很多时间，也觉得十分的遗憾。

我当时设计的时候，看到很多人接出的信号都是40kHz组成的1Hz脉冲，觉得用检出包络的方式应当很好，为什么大家都不用。

看来确实是不是能用的太好。

然后就去掉了二极管检包络，很快得到了接受电路的大概样子。

同时，针对发射的问题，用电压比较器放大了其输出电压，但效果还是很不好，还浪费了很多时间。

然后当场设计了一下接收端的处理。

在很不成熟的情况下，电路勉强可以出现数字，只有两三个数字，还完全不怎么正确。

晚上回到寝室后，很仔细的分析了当天遇到的问题：发射端功率不够，不应该加电压，而是加电流——查资料后，发现应当输出端使用非门组；800的问题，很简单，但一直以为计数电路很简单，没有注意过，还是李晗同学发现的；同时设计了回波接入寄存器端的电路。

并通过计算机模拟检验了一下回波放大滤波电路，针对噪音较大的问题，加了一级滤波。

第三天早晨，我们按照设计好的电路先将电路中的问题都改了过来。

很快，出现了一秒钟计数一次的显示数据。

但我们发现计数总是在19到29之间，而且一般都是正确的。

之外就都是19或29，我想了一下，19是因为我当时接在1Hz上置0端的是第二级的QB，能够让20计数内不动。

于是减小了这部分时间，接QA；于是可以显示9到29之间。

但29呢？我想了很长时间。

后来将无意中将查在电路中的示波器头碰出来，突然可以计数到30以上。

我很惊异。

通过查了一下，发现是某几条线被碰了的结果。

我觉得可能是面包板上的问题。

因为那个D触发器附近有判断30的逻辑。

我后来将D触发器换了地方，果然没问题了。

还有个值得提的是电容的问题。

其实我以前的实验中也经常都用到电源处加电容来去电源噪音的。

结果这时却忘了。

接上一个大电容到电源后（开始我用的是0.1uF的，后来张老师说太小，就换了100uF，呵呵），噪音也好了一些。

后来我们一度发现计数到了1米以上时会时不时变成0××或就是乱码。

我们一开始认为是1米以上信号不如噪音大。

但后来发现有时可以停留在0××很久。

好像稳定的一样。

我们引起了注意，查了一下线。

很好笑，我们果然将第三个175的触发端接错了。

这时可以测到1.4米左右，但再远就不行了。

噪音问题。

这是第三天下午了。

快要验收，我又想了一些方法，是否能够再滤一下噪音，放大一些倍数，可以测远一些。

可是处于“安全”的考虑，1.4米也许短了一点，但总算是成品；同组同学也不愿再冒险了。

验收后我也试了一些方法，噪音好像确实非低通滤波可以去掉的。

【实验结果】通过电路组装，调试。

超声波测距电路基本可以运行，但有效测距距离大约1.4米的左右。

1.4米以内比较精确，示数比较稳定，一般涨落不超过2厘米。

考虑到计数频率和电路传输的问题，可能有计算误差，但预计误差不超过5厘米（1米以上）。

没有用直尺测试，手测：）。

报警电路改为10厘米内报警，工作正常。

分析见上一部分。

【实验总结】为期三天的模拟电子综合实验结束了。

暑期小学期中我们共有三个项目：电子工艺实习、CPLD实验和模电实验。

相对另外两项，模电实验时间很短，只有三天，但我觉得却是最有难度、也是收获最大的。

这次模电实验不同于以往，基本上没有给出什么指导，只有相应几个设计的原理框图，实现全靠我们自己。

而以前的实验中，一般都有比较成型的结果或指导。

这样的话，与以往很不同的是，我们在实验中遇到的问题，都是需要我们自己解决的。

我们在这次实验中选择的是超声波测距电路，这一点尤为突出。

实验前大致已经设计好了相关的电路，连线比较快，实验中的大多数时间都花在电路调试上面。

这次实验，就电路的设计、调试来说，我认为有以下几点尤为值得注意：1．电路的设计是一个多方面的过程，决不停留于原理图中。

我们以前设计电路，基本上设计到原理图就结束了。

以前的电路比较简单，没有什么凸现的问题。

这次电路稍有复杂，主要是有很多高频的部分。

但我在设计的时候，没有考虑布线等问题，在实验现场才开始想了一想，但毕竟比较匆忙，像最后还是有一些搭载高频信号的长线。

2．电路设计的学习也是多方面的。

这次实验的大多数问题，都是如何解决实验中的干扰，这方面书本中是很少的。

现在的抗噪的课程也不会针对我们“面包板实验”。

要掌握这些只有实践。

当然，向有经验的同学和老师学习也是很重要的。

“面包板”实验如此，电路板的设计就更是这样。

3．考虑问题有时不要忽略。

我们在学习模电的时候，像线路阻抗、交叉线干扰等问题是从来不考虑的，但实际实验中确实存在。

这些问题比较简单，解决也很方便，但不考虑到是不能解决的。

4．准备工作的重要性。

我们一般都会默认我们的电阻、电容、芯片、面包板都是好的。

但很容易出问题。

这次实验中，我们就有电容、芯片都有问题，后来的面包板问题更是碰了运气才解决的。

当然，我可以说，反正我会不断动到电路，也一定会发现面包板的问题。

但毕竟是“运气”了一点。

开始的时候，为了加快速度，就只对556等做了一些测试。

恐怕以后应当注意。

总之，实验是完成了。

但更重要的是，是否能够从这次实验中得到什么，能否在以后的学习和设计中注意到。