超声波电子导盲电路

1．时序信号的产生
因为用电池供电，电压随着使用时间会逐步下降。
用通常的RC振荡器频率不稳定。用通常收音机的465kHz的陶瓷振子产生振荡，再经过12分频，得到39kHz信号，再经过一系列的分频可以得到所需得各种时序脉冲信号。4069内部只有一级CMOS反相器，一般称非缓冲门，用“UB”表示，适合做32KHz到465kHz的晶体振荡器，下图中R2的负反馈使UID工作在线性放大区，约为1/2电源电压。UID第9脚有一个微弱的变化经过UID，UIE两级反相，得到同相位的放大r的信号，经过X2三端陶瓷滤波器，只有465kHz的信号能通过，正反馈到UID第9脚。形成连续的振荡。这时如果取走R2照旧有振荡。没有R2，刚接通电源时UID第9脚可能只有零点几伏，第8脚输出高，UIE第 11脚低。

处于开关状态，不能对小信号放大。不起振。偶尔触一下第9脚可能开始工作，但不一定稳定。可见R2的作用把UID第9脚电平拉到线性区。如果把74HC04代替4069，因为74HC04内部每个门有三级反相门，接上R2后已经形成奇数级环形振荡器的结构，即使没有X2已经有若干兆赫兹的振荡。接上X2也难达到目的。C4，C5,C6是匹配电容。还可以微调频率。接上后实际频率为470kHz。

U2是D触发器，时钟从低到高时Q的状态等于D。如果把Q和D连接起来，就成为二分频器，时钟每来一次翻转一次。开始，Q=0O，Q=1，D=Q就等于1，时钟来一次，Q变成1，Q=0，D=Q就等于0，为下一次时钟来Q变成0做好准备。时钟变二次，Q变一次，就是二分频器。把两级D触发器串联起来，就成为四分频器。现在要三分频，就要加一定的反馈。简单的方法如下图所示。U2A是二分频器，其输出，Q1送U2B的时钟，Q1变O，Q1变1，Q2就翻转。没有反馈时Q2Q1的状态是00，01，10，11。等到11状态立即清0，与非门U3D两个输入端都为1，输出0，U3C输出1，D触发器清0。

R1的作用是延迟，加宽清0脉冲到300ns，1/3信号可以从U3C输出，也可以用Q2，不能用Q1。
155kHz信号送到12级二进制异步计数器4040的U6的第10脚时钟端。异步计数器相当于12个接成二分频的D触发器串起来，上一级从1向0变化时下一级才能翻转，每级有5差不多500ns的传输延迟，而且逐级累积。下图是各级波形图，显然，周期为206us的信号先从1变0，3.3ms周期的信号延迟约3μs从0变l，触发U4A、U4B翻转输出为1。

在周期为206μs的信号的负脉冲期间，时间等于103μs-3μs，U4A输出CK1维持1，在206μs的信号的正脉冲期间，信号接U4A的第4脚R端，CK1清0，这种状态一直要等待3.3ms，周期性的触发信号再次来到，才重复出现一次。CK1的脉宽100μs，周期3.3ms。
同样，可以分析CK2的脉宽410μs，周期3.3ms。因为清0信号的极性问题，下图的4013不能用74HC74代替。

4040的第7脚输出39kHz信号和CK1通过U3A合成含有4个脉冲的OUT信号，送驱动级。CK1和103}Ls通过U3A合成CK11，是CK1正脉冲的后一半为高的，周期为3.3ms的信号。CK21则是CK2正脉冲的后一半为高的，周期为3.3ms的信号。这些信号以后都有用。

2、发射驱动电路
因为超声传感器的输入电容达2700pF之多，低压下用单个CMOS反相门驱动效果差，现在用两两并联推挽驱动（如下图所示）。虚框中是用收发两用头L1的电路。当发射时，L1和传感器串联谐振，加强发射；当接收时，OUT1和OUT2固定电平相当于交流接地，L1和传感器并联谐振，加强接收信号。理论上想得很好，实际试验效果很差。所以后面试验都是收发两个头做的。两个头并列安装，距离2.5cm，出口离地最小1cm，由于超声波长8.5mm.出口前加有0.5mm粗的金属防护条不会影响效果。

3、接收放大电路
上图的三级5倍带通滤波器的计算与设计与上期类似，不过这里用晶体管代替运算放大器，原理是一样的，可以更省电，体积更小。信号从USIN进入，当CKl:1时，发射期间，VT2短路信号，防止强信号窜入放大器。放大的信号从Hl，H2输出。
由于安装在同一块印制板上，有机械耦合。从中图、下图看出，在发射信号后300μs处有一个固定的接收峰（机械耦合），这个信号小于7cm距离地面的反射波信号，而与距离20～30cm的反射波信号大小相仿。而且背景杂音频率39kHz幅度约1mV。检测有一定难度。我们按信号强度Hl、H2分两段检波，按延迟时间（距离）分成三种情况分析：①距离地面7cm的情况，输入信号特别大，经过一级放大已经超过200mV(Vpp)这时把信号从Hl送到第一检波器。检波器检测到有信号，就有DETOUT2=1。这时第二检波器可能也收到信号（信号在410us处两边各一半）．也可能收不到信号。②距离地面7cm～30cm，接收到的信号因距离由近到远而从很大逐步减小，最后被1mV(Vpp)的背景杂音淹没。同时信号的延迟从410μ～33mS放大器的放大倍数125倍，杂音放大到125mV，信号250mV以上时被第一检波器检测到，DETOUT1=1。这时DETOUT2：0，DETOUT1=l或0（较远情况）③距离地面30cm~50cm，信号检测不到，DETOUT2=DETOUT1=0。第一种情况，要求静音；第二种情况，要求变调发声；如果接收不到就同③；第三种情况要求发出警告性音调的声音。图中C16，L1，BC9用于电源滤波作用。

4．检波放大电路
一般的二极管检波器，由于二极管的正向压降而有损耗，特别是小信号情况。下图利用运算放大器的高增益，抵消了二极管的正向压降损耗实现理想检波。
H2的负半周经过Ala反相放大成为很大的正信号，通过D4到达Alb的正极性输入端，C12充电到峰值，Alb接成跟随器电路，第7脚信号永远和第5脚一致。R17和W2串联负反馈到A1c的第10脚。这时D3因反偏不起作用。Ala反相放大是有限制的，根据运算放大器的“虚开”和“虚短”的假设，在峰值时，14脚通过R17+W2反馈到2脚的电流和H2通过R15的电流之和为零。UH2/R15+U14/(R17+W2)=0,U14/UH2=-(R17+W2)/R15=-1～-10倍。H2负半周而又小于峰值时，反馈电流绝对值超过输入电流，把2脚拉高，1脚变低，D3导通吸收反馈电流。维持2脚和3脚电压相同。（虚短）当正半周情况，Ala反相放大输出1为低，D4不通，D3导通吸收正半周电流。调节电位器可以控制检波增益。
CK2=0期间VT5导通，检波输入端被拉高，输出DETOUT1=0。为了满幅度输出，这里要用所谓“轨至轨”
CMOS运放，用LM324不行。市售TLC2274常见SOD封装形式的，试验时做一个替换座转成DIP便于插拔。

5．距离-脉宽-数字转换
电路如上图所示，CK21是S信号，CK21正脉冲上升时间，通过U11C=1，UIB=0，U1D=OU3B=1（指输出端），COUNT_EN=1(开始计数)返回到U11C的输入端完成—个R-S触发器的置位过程，虽然CK21上冲消失，依然存在置位状态。DETECT2是R信号，DETECT2=1，U11D=1，U3B=0，U11C=0，UIB=1；复位状态，COUNT_EN=0(停止计数)。DETECT1是优先复位信号，不论CK21有没有上冲，只要有DETECT1=1，就有COUNT_EN=0。
在下图中，U5-4520是双16进制计数器，COUNT_EN控制计数闸门，COUNT_EN的脉宽就含有多少个19.5KHz，就计多少数。这个数在CK1的上升时间，被锁存在U10-40174中。然后CK11来，把计数器清零，为下一次计数作准备。CK1上升时间与CK11有50uS的时间间隔。U5B与U5A的级联，U5B-Q3要接到U5A-EN，即用下降沿计数，U5B-Q3从1到0，高一位的计数加l。不能用CP。在试验阶段暂时将D5~Dl0接入，检测N5~NO的状态。这是典型的6位二进制数，N5~NO=000000～111111，表示距离由近到远。