Vol.27 No.4 陈先中等：低噪声回波测距系统的电路设计与系统分析 ·491· 增加了两个过压二极管保护电路，一方面防止过 由一元函数求极值原理可得算术平均值滤 电压对运放的冲击，另一方面控制器通过比较电 波公式： 路识别输入的电压.如果电压饱和，系统自动降 y=12x0 n 低激励电压；信号过弱，则系统自动增大激励电 当n较大时，平滑度高但灵敏度低：当n较小 压.整个过程配合程控运放工作，由控制器内部 时，平滑度低但灵敏度高.应根据测量经验、周围 的程序实现自动切换， 环境等具体情况选取n 智能化的控制程序一般可以保证系统在0~ 一般在超声波测距中，声波测量的间距时间 60的测量范围内自动识别回波，实现任意区间 较长，留给单片机足够的时间进行回波的分析和 内的自动量程转换，该测量电路不需要人为的改 计算，因此运用各种波形分析手段成为可能.波 变信噪比或者测量距离， 形分析法包括设置面积比较法、斜率法、信噪比 传统的抑制干扰的方法为运算放大器加滤 法等，以及其他快速和慢速的寻峰算法，可以对 波电路来调节信号并去除干扰，而新设计的“能 数字化的数据库波形进行时域和频域分析.算法 量球”电激励法本质上是一个低干扰的激励单 选择的依据是物位测量距离、物位变化速度、系 元，它的噪声只和充电元件自身的物理特性有 统响应速度和测量分辨率要求等， 关.同时由于系统“能量球”电压连续可调，因此 只需要采用两路运放设计、一级低噪声调理放大 3超声波测距实验 器和一级可编程放大器，减小了传统电路设计中 多运放环节带来的自身噪声， 设计的系统收发电路硬件包括：超声波换能 25回波软件的低噪声处理 器（探头）、低噪声信号发射电路、低噪声信号接 在回波等待过程中，会混入外界固有目标的 收电路、温度补偿电路、选择按钮以及显示部分 干扰，移动目标的周期和随机干扰，以及模拟电 等.整个电系统为低压供电方式，能耗低.控制部 路本身引入的干扰等.因此在数字化的回波数据 分采用单片机设计，电流输出为420A.系统原 库中，对杂散回波和电噪声信号，采用了以下分 理示意图如图4所示. 析措施：(1)数字滤波：(2)波形分析. 用示波器观察回波，发现该电路在信号输出 所谓数字滤波就是通过特定的程序以减少 端本底噪声相同条件下，噪声输出比传统的非隔 干扰信号在有用信号中的比重.对于数据库中明 离式电路减小一个数量级左右，理论上，测量信 显不合理的数据，则此数据可能是由于干扰造成 噪比提高10倍，测量范围可以提高10倍. 的.数字滤波的目的是去除尖峰干扰脉冲，设定 实测为020m的测量范围，采用示波器观察 回波本底数字阙值，去除小的电噪声干扰等，数 发现：采用该低噪声电路设计，不需要提高激励 字滤波与模拟滤波相比具有如下优点：(1)数字 电压，就可以获得很好的回波信号，尤其是对固 滤波由程序来实现，不需要增加硬件设备：(2)使 态物料表面的回波微弱信号问题，仍然具有较强 用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法， 按钮 温度测量 或改变滤波器的参数. 显示 数字滤波算法有许多种，如限幅滤波法、限 单片机 速滤波法、中值滤波法、算术平均值滤波法、加权 AWD转换 平均值滤波法、RC低通滤波法.在回波检测系统 中，采用了中值滤波和算术平均值滤波的低噪声 放大电路 处理方法，中值滤波法是对某一被测量参数连续 采样n次（一般n取奇数），然后把n个采样值从小 接收电路 发射电路 到大（或从大到小排队），取中值作为本次采样 值.根据得到的n次采样值X)(i=1,,n),求-一个 Y,使得Y与各采样值之间的偏差的平方和最小， /探头 此时所得值具有最小误差， 图4超声波测距系统结构示意图 E-min[Σ(Y-X)] Fig.4 Schematic diagram of the ultrasonic ranging system物1 . 2 7 N o . 4 陈 先 中等 : 低 噪声 回波 测距 系 统 的 电路 设计 与 系统 分析 增加 了两 个过 压 二极 管保 护 电路 一方面 防 止过 电压 对运 放 的冲 击 , 另一 方 面控制 器 通过 比较 电 路 识别 输入 的 电压 . 如 果 电压 饱 和 , 系 统 自动 降 低激 励 电压 ; 信 号 过弱 , 则 系统 自动增 大激 励 电 压 . 整个 过程 配 合 程控 运放 工作 , 由控 制 器 内部 的程 序 实 现 自动 切换 . 智 能化 的控 制程 序 一 般可 以保 证 系统 在 O一 6 0 m 的测 量范 围 内 自动识 别 回波 , 实 现任 意 区 间 内的 自动 量程 转 换 . 该测 量 电路 不 需要人 为 的 改 变信 噪 比 或 者 测量 距 离 . 传 统 的抑 制 干 扰 的方 法 为运 算 放 大 器 加 滤 波 电路来 调 节信 号并 去 除干 扰 , 而新 设 计 的 “ 能 量球 ” 电激 励 法本 质 上 是 一 个 低干 扰 的激 励 单 元 , 它 的 噪 声 只和 充 电元 件 自身 的物 理 特 性 有 关 . 同时 由于 系 统 “ 能量 球 ” 电压 连 续可 调 , 因 此 只 需 要采 用两 路运 放 设计 、 一 级低 噪 声调 理放 大 器 和 一级 可编 程放 大器 , 减 小 了传 统 电路 设计 中 多运 放环 节 带来 的 自身 噪声 . 2 .5 回 波软 件 的低 噪 声处 理 在 回波 等待 过 程 中 , 会混 入 外 界 固有 目标 的 干 扰 , 移 动 目标 的周 期和 随 机干 扰 , 以及 模 拟 电 路 本身 引入 的干 扰 等 . 因 此 在数 字 化 的回波 数据 库 中 , 对 杂 散 回波和 电噪 声信 号 , 采用 了 以下分 析措 施 : ( l) 数 字 滤波 ; (2 )波 形 分析 . 所 谓数 字 滤 波 就 是 通 过 特 定 的程 序 以减 少 干扰 信 号在有 用信 号 中 的 比 重 . 对 于 数据 库 中 明 显不 合理 的数 据 , 则 此数 据可 能 是 由于干 扰造 成 的 . 数 字 滤波 的 目 的是 去 除尖 峰 干扰 脉 冲 , 设定 回波 本底 数 字 闽值 , 去 除 小 的 电噪声 干 扰等 . 数 字 滤 波 与模 拟滤 波 相 比具 有 如 下优 点 : ( l) 数 字 滤 波 由程 序 来 实现 , 不 需 要增 加硬 件 设 备 ; ( 2) 使 用 灵 活 、 方便 , 可 根据 需要 选 择不 同的滤 波 方法 , 或 改 变滤 波器 的参 数 . 数字 滤 波 算法 有 许 多种 , 如 限幅 滤波 法 、 限 速滤 波法 、 中值 滤波 法 、 算术 平均 值 滤波 法 、 加权 平均 值 滤波 法 、 R C 低通 滤 波 法 . 在 回波 检 测 系统 中 , 采用 了中值 滤波 和算 术平 均值 滤 波 的低 噪声 处理 方法 . 中值 滤波法 是对 某 一被 测量 参 数连 续 采样 n 次 ( 一般 n 取 奇数 ) , 然 后把 n 个 采 样值 从 小 到大 ( 或 从 大 到小 排 队 ) , 取 中值 作 为 本 次采 样 值 . 根据 得 到 的n 次采 样值双l’) ’(l = 1 , … , n) , 求 一个 Y , 使 得 Y 与各 采样 值 之 间 的偏 差 的平 方和 最 小 , 此 时所 得值 具有 最 小误 差 . 由 一元 函 数 求 极 值 原 理 可 得 算 术 平 均 值滤 波公 式 : 以全肺) 刀 行 l 当 n 较大 时 , 平滑 度 高但 灵敏 度低 ; 当n 较 小 时 , 平滑 度低 但 灵敏度 高 . 应 根据 测量 经验 、 周 围 环境 等 具 体情 况选 取 n . 一般 在超 声 波测 距 中 , 声波 测 量 的 间距 时间 较 长 , 留给 单片机 足 够 的时 间进行 回 波 的分析和 计 算 , 因此 运 用 各种 波 形分 析 手 段成 为可 能 . 波 形 分 析法 包 括 设置 面 积 比 较 法 、 斜 率 法 、 信 噪 比 法 等 , 以及 其 他 快速 和慢 速 的 寻 峰算 法 , 可 以对 数 字化 的数据 库波 形进 行 时域和 频 域分 析 . 算法 选 择 的依 据 是物 位 测 量距 离 、 物位 变化 速 度 、 系 统 响应 速 度 和测 量 分 辨率 要 求等 . 3 超 声 波 测 距 实 验 设 计 的系 统收 发 电路 硬件 包 括 : 超 声波 换 能 器 ( 探 头 ) 、 低 噪 声信 号发 射 电路 、 低 噪声 信 号接 收 电路 、 温度 补 偿 电路 、 选 择按 钮 以及 显 示 部分 等 . 整个 电系统 为低 压供 电方 式 , 能耗 低 . 控 制部 分采 用单 片机 设计 , 电流输 出为 4一2 0 m A . 系 统原 理示 意 图 如 图 4 所 示 . 用 示 波器 观 察 回波 , 发 现 该 电路在 信 号输 出 端 本 底 噪声相 同条 件 下 , 噪 声输 出 比传 统 的非 隔 离 式 电路减 小 一个 数 量 级左 右 . 理 论 上 , 测 量信 噪 比 提 高 10 倍 , 测量 范 围可 以提 高 10 倍 . 实测 为 O一2 0 m 的测 量范 围 , 采 用示 波器 观 察 发 现 : 采 用 该 低 噪声 电路 设计 , 不需 要提 高 激励 电压 , 就 可 以获得 很 好 的 回波信 号 . 尤其 是对 固 态 物料 表 面 的回波 微弱 信 号 问题 , 仍然 具有较 强 按钮 温度测量 户以D 转换 放大 电路 接收 电路 石为1 1 i n [艺( r 一爪i )) 2 ] 图 4 超声 波测距 系统 结构 示意 图 F ig . 4 S c h e m a it e d i a g ar m o f th e u l tar s o n i e ar . ig n g s y s t e m