基于峰值校准超声波测距的研究

　　1　回波信号处理的误差分析

　　1. 1　放大器的相移误差

　　在超声检测系统中,超声波接收传感器输出信号是mV级的电压信号,信号小,频率为超音频,信号的放大成为一个关键的问题。既要把信号放大到合适 的大小,又要使信号的相移变化很小,达到减小测量误差的目的,必须研究放大器放大交流信号时的幅值误差和相位误差,为选择放大器和信号放大提供理论指导。 假设放大器的截止频率为f_c, 3 dB转折频率为f₀,放大器闭环放大倍数为k,闭环反馈系数为.F,开环直流增益为A_d.根据闭环放大器理论,放大器闭环增益为：

　　对于单极点运算放大器来说,在每10倍频20 dB衰减曲线内增益带宽积处处相等。则：

　　由式(1)、式(2)可得交流放大器的幅值误差γ和相移误差分别为：

　　从式(3)、式(4)可以看出,为了减小回波信号处理时的相移误差和幅度误差,必须选用截止频率高的放大器作为信号处理放大器;固定放大器的闭环增益可以固定信号放大所造成的相移变化,减小测量误差。

　　1. 2　回波幅度起伏引起的误差

　　由于测量距离、超声波的入射角度、反射介质等不同,使得接收换能器所获得的回波幅度相差很大。使用单一电平阀值时,若设置的阀值过高,则可能使较微弱回波漏触发,出现测量错误;若阀值过低,则可能出现测量的相位误差,如图1所示,这种相位误差最后就耦合到测试误差中。

　　假设第n个回波信号作用于回波识别电路,由于距离不同,回波幅度不同,分别为A和B(A>B),如图1所示的和。若采用相同阀值判别原则,且设阀值电平为k,则：

    由式(5)、式(6)可以求得不同幅度回波信号所引起的时间误差Δt,则：

　　从式(7)可以看出,只要A、B不同,这项误差就不能消除。

　　传统的自动增益电路不能保证回波信号进入回波判别器的幅度完全一致。因此,传统的自动增益电路能减小这项误差,但不能完全消除。

　　2　峰值校准的回波自动增益控制

　　根据前面的分析,应采用宽频带放大器实现回波信号的放大,并且整个系统闭环放大倍数固定,可以通过校准消除相移误差;测量系统采用回波包络的峰值检测,调整自动增益环节,使回波信号到达回波识别器时的幅度近似相等,从而消除幅度起伏误差。其原理框图如图2所示。

　　2. 1　峰值电压采样保持检测电路

　　该系统采用的峰值采样保持电路如图3所示。

　　峰值电压采样保持电路由1片采样保持器LF398和1块电压比较器LM311构成。LF398的输出电压和输人电压通过LM311比较,当V_in≥V_O时,LM311输出高电平,送到LF398的逻辑控制端8脚,使LF398处于采样状态;当V_in达 到峰值而下降时,电压比较LM311输出低电平,LF398的逻辑控制被置成低电平,使LF398处于保持状态。回波信号经过放大、滤波和整流后,其波形 示意图如图4所示,通过峰值电压保持电路后,比较器的输出波形如图4所示,送入单片机的外部中断0(INT0),脉冲下降沿引起单片机中断,单片机判断确 有中断请求后延时5个回波周期(发射8~10个波),启动模数转换,此时可测得回波的峰值,然后由P1_·0置高电平,通过NPN三极管对采样电容放电,为下一次测量做准备。系统测得的峰值与设定的峰值进行比较,若偏小,增大增益;若偏大,减小增益,经过多次校准直到与设定值近似相等为止,从而保证了输入到回波判别器的信号幅度一样,消除幅度起伏误差。