超声测距发射电路的设计与实现

实验题目：超声测距发射电路的设计与实现

课程简要信息

课程名称：电工电子工程训练（国家一流本科课程）

课程学时： 48

项目学时：课内8学时+课外8学时

适用专业：电子信息类

学生年级：大二（第一、二学期）

图1 课程验收

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

1. 设计符合超声测距系统中超声发射探头需求的驱动电路，使超声发射探头工作在最佳状态，该案例作为超声测距系统中的发射单元模块，是保证整个系统实现远距离测量、测量误差小、工作稳定的重要前提。本案例属于开放性任务，需要学生自行设计实验测试超声探头的特性参数以及脉冲信号的频率、幅度、占空比、脉冲数量与回波强度的关系。测试结果如图2所示。

2. 本案例采用由555组成的多谐振荡电路产生频率和占空比可调的矩形脉冲作为超声发射探头的驱动信号，通过理论分析和实验测得发射探头的谐振频率f0，因此要使超声探头工作具有最强的发射功率，由555电路产生的矩形脉冲的频率应为实验测得的f0，占空比为50%，并且是以一定的重复周期T发射（符合最远测量距离要求），每次连续发射40个脉冲信号。

3. 要求发射电路工作稳定，频率和占空比均可调。

图2 射脉冲的频率、幅度、占空比、脉冲数量与回波强度的关系

实验过程及要求（限300字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1. 学习复杂电子系统的模块化分解、设计、调试及测试等方法；

2. 掌握发射波形参数设置要点；

3. 学习脉冲产生电路的设计思路及元器件选择方法；

4. 学习了解芯片NE555的功能及工作原理；

5. 设计超声波发射电路，其中包括一个调制脉冲发生电路（几十Hz）和一个载波脉冲发生电路（40KHz左右），并根据电路情况自主选择设计升压电路；

6. 使用Multisim软件完成电路仿真测试，根据仿真结果调整设计参数；

7. 使用面包板搭建电路，调试/调整电路参数；

8. 在单孔板上焊接超声波发射电路并进行调试；

9. 输出参数合理的发射脉冲信号并记录数据及波形；

10）撰写报告，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案（如FPGA+MAX3232）的特点。

相关知识及背景（限150字）

项目涉及所需的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

超声波测距由于具有成本低廉、测量精度较高、不受环境限制和应用方便等特点，在现代控制和工业现场等领域都得到了广泛的应用。超声发射电路是决定整个超声测距系统工作性能好坏的关键环节，该案例是一个综合运用模拟电路、数字电路和传感器技术、FPGA等理论课程解决实际工程问题的典型应用。通过实验不仅使学生知其然更要知其所以然，更进一步体会实际电路和电路模型的区别，能够分清主要矛盾和次要矛盾，不断钻研，精益求精，一步一个台阶地实现能够使发射探头工作在最佳状态的发射脉冲电路。教学过程达到了提高学生理论和实践相结合、发现问题、分析问题、解决问题的能力，提高电路焊接、调试、数据分析和撰写报告的能力。

实验环境条件

项目实施需要实验资源，包括实验装置功能、实验仪器设备、设计软件工具、主要电子元器件等。

1) 实验工具：电烙铁、焊锡丝、斜口钳、吸锡器、松香、镊子

2) 实验仪器：万用表、示波器、直流稳压源、信号发生器

3) 设计软件工具：Multisim电路仿真软件

4) 元器件：超声发射传感器、NE555，二极管、电位器、双联电位器、电阻电容若干

教学目标与目的（限150字）

如学习、运用知识、技术、方法等；培养、提升技能、能力、素质等。

通过此次实验，使学生了解与学习电子系统的常规工程设计方法，从应用场景确定设计指标，要求根据指标完成电路模块化设计、元器件选择、参数计算，进而完成电路设计、仿真、实现和调试。在此过程中培养学生的辩证思维能力，严谨的科学素养，开拓进取的创新精神，求真务实的科学精神和精益求精的工匠精神，同时提升学生的心理素质。

教学设计与实施进程

课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。教学模式、实验渠道、研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题等方面设计等。实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

本实验的过程是完整系统设计中的一个单元模块，要求学生能够设计制作出超声发射模块，使其驱动超声发射探头发射超声波，并能够与后续模块联合工作完成整个测距过程。实施过程中学生任务包括：

1. 课前预习：

①如何通过电路实现超声波测距；

②超声波发射强度与发射信号哪些因素有关；

③方案比较、选择和初步设计；

④使用Multisim软件进行仿真，确定电路设计的可行性。

2. 课堂学习：

①理解超声测距的工作原理；

②学习复杂电子系统的模块化设计及测试方法；

③掌握发射波形参数设置要点；

④比较方案可行性，选择脉冲发射电路方案，根据测量指标确定元器件参数；

⑤在面包板上实现发射脉冲信号，调试电路，调整参数；

⑥将调试完成的电路焊接在单孔板上；

⑦调试电路，根据问题对电路进行改进；

⑧完成电路验收。

3. 课后拓展：

①对实验数据进行整理分析，撰写实验报告；

②根据实验的实际情况和心得体会，探索更好的解决方案。

在设计中，要注意规范性，如模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并改进测量方法。

教师任务包括：

1. 课前准备：

①提供预习资料；

②准备实验所需器件。

2. 课堂讲解：

①原理及方法讲解；

②实验指导、答疑；

③验收实验结果；

④课堂总结。

3. 课后要求：

①批改报告；

②收集建议，完善实验；

③提供课后拓展参考资料，在课程群中及时回应学生遇到的问题。

实验原理及方案

实验的基本原理、设计依据、完成任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

1. 系统结构

图3 超声脉冲发生电路系统结构

超声波发射单元包括调制脉冲发生电路、载波发生电路、超声发射器等，如图3所示。超声波发射信号是由一个长周期调制信号作为控制信号对频率较高的载波信号进行幅度调制，当调制信号为高电平时有脉冲信号输出，当调制信号为低电平时无脉冲信号输出，即产生含一定数量脉冲的发射信号。发射信号是超声发射换能器的输入信号，其频率应为超声换能器的谐振频率。而长周期发射脉冲作为调制信号，其频率远低于激励信号，需要超声换能器谐振频率的信号作为载波。因此超声波测距系统的脉冲产生电路的设计主要包括长周期发射调制信号生成电路、载波信号生成电路和调制电路三个部分。

2. 实现方案

常见的脉冲信号生成电路常采用多谐振荡器形式。多谐振荡器是一种自激振荡电路，该电路在接通电源后,无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的周期性的矩形脉冲波或方波，由于含有丰富的谐波分量，故称作多谐振荡器。由于多谐振荡器在工作过程中不存在稳定状态，故又称为无稳态电路。多谐振荡器有多种实现方式，比较常见的有由门电路组成的多振荡器、555 组成的多谐振荡器以及由晶振实现的多谐振荡等。本案例采用的是由555构成的多谐振荡电路。具体实现电路如图4所示。

图4 超声脉冲发生电路

图5 脉冲信号波形

其中，当图4中的两片555组成的电路模块单独调试时，图5中的（a）为第一片555电路产生的频率为50Hz，占空比为5％的调制信号，（b）为第二片555电路产生的频率为40KHz左右，占空比为50％的载波信号，两个模块电路联调所产生的符合超声发射探头需求的调幅波信号如图（c）所示。

实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等），如：

实验报告需要反映以下工作：

1. 阐述设计方案及原理，画出电路图标明元件参数，记录仿真电路图及仿真结果；

2. 记录实验过程中使用的元器件参数、工具、仪器仪表；

3. 记录电路的焊接制作流程；

4. 记录通过示波器观测到的调制脉冲信号波形、载波波形及调幅波信号波形，并标注幅度、频率及占空比；

5. 记录调试过程、电路的改进方案、仿真电路图、仿真结果，并对实际实验结果和仿真结果做对比分析；

6. 着重记录实验过程中遇到的故障现象及解决措施；

7. 拓展更优更好的实现方案；

8. 总结通过本次实验项目获得的电子制作方法、电路测试方法、理论分析等方面的学习成果和心得体会，对课程教学的不足提出改进建议。

考核要求与方法（限300字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

项目的特色在于：项目背景的工程性，知识应用的综合性，实现方法的多样性。

1）培养学生的辩证思维能力，在两全不能其美时，分清事物的主要矛盾和次要矛盾，抓主要矛盾。

本案例中发射脉冲的频率和占空比均会影响超声发射探头的发射强度，如果不能做到脉冲信号的振荡频率和占空比同时满足最佳要求，实验证明，频率是主要矛盾，占空比是次要矛盾，首要满足频率的要求，占空比可放宽至40-60%。

2. 改进电路，使用双联电位器同时满足频率和占空比的要求。但缺点是双联电位器体积大，精度低。

3. 进一步改进电路，使用一个精密电位器实现了两全其美，既满足频率的要求，又满足占空比的要求，在此过程中培养学生精益求精的工匠精神。

4. 培养学生求真务实的科学精神。针对实验现象使学生不仅要知其然更要知其所以然，深刻体会实际电路和电路模型之间的区别。

5. 鼓励学生针对实验结果存在的问题，探索其他解决方案，如FPGA+MAX3232的实现方式，培养学生的发散思维和创新意识。

图6 现场故障波形图

在实验中，许多同学出现了图6所示的现象，表现为输出波形不是矩形波。针对这一现象，引导学生发现是因为二极管型号选用不合理，没有注意二极管之间的参数差别，比如1N4001和1N4148的反向恢复时间不同导致该实验现象的发生。最终学生实现了两种解决方案：

方案一： 在电路的放电回路中串联一个阻值较小的电阻，一方面在二极管的反向恢复时间内避免放电回路出现短路情况，另一方面该电阻对电路频率不会产生太大影响。如图7所示。

图7 串联电阻法

方案二：相对于40KHz的脉冲信号，使用反向恢复时间可忽略不计的开关二极管1N4148替换原电路中的1N4001。

以上两种方案均使问题得到了解决，学生收获颇多。

另一个比较典型的实验现象是发射脉冲对接收信号的干扰，这是一个典型的数字信号对模拟信号的干扰问题，实验现象如图8所示。两种解决方案分别如图9（a）和（b）所示，并比较两种方案的优劣。解决后的接收波形如图10所示，可见很好地去除了发射脉冲接收波形的干扰。

图8 发射脉冲对接收波形的干扰

（a）方案一 （b）方案二

图9 电路改进方案

图10 电路改进后的接收信号波形

大学四年，对于学生们来说最重要的不是学习了多少知识，而是思维模式，学习能力，科学素养，心理素质、创新意识等的培养和不断提高，而这个经典案例生动形象全面地诠释了这一点。