自动增益电路在超声波测距系统中的应用研究

　　机器人在装配工件运动过程中,经常要检测其末端执行器与待装配工件(或障碍物)之间的距离,由于超声波测距具有非接触、不受电磁干扰、测量精度高等优点,所以通常采用超声波测距装置进行距离检测。为了提高测量范围和精度,本研究对超声波测距系统采用了自动增益补偿、温度补偿、零交叉检测等措施,较大地改善了系统性能。

　　1　超声波测距原理

　　超声波发射器是利用压电晶体的谐振带动周围空气振动来工作的。超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回,超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。一般情况下,超声波在空气中的传播速度为340 m/s,根据计时器记录超声波传播的渡越时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离s,即: s=340×t/2。

　　超声波测距电路原理如图1所示。控制时序如图2所示。

　　TRIGER为触发脉冲,整个时序由它控制。GATE信号是为了屏蔽由发射探头直接绕到接收探头的虚假回波信号。WAVE信号中方形波形状为超声波的发射信号,正弦波形状为超声波的接收信号。AGC为自动增益补偿电路波形,随着时间的增加,AGC的放大倍数呈指数规律变化,从而保证了超声波接收器波形的幅值不随测量距离的变化而大幅变化,使得每次在同一个波头触发计时电路,提高了系统测量准确度。开始工作时,超声波发射探头发射声波,此时启动TIME信号置高电平,当接收探头收到回波后,通过过零比较器确定渡越结束时间,然后用计数器对TIME脉冲宽度计数,从而计算渡越时间t,最后得到测量距离。

　　2　自动增益补偿电路设计与实现

　　在空气介质中,声波沿其传播路径受到扩散、吸收、散射等因素的影响,其强度将随传播距离的增大而迅速衰减。设原点处有超声波声源,则在距离探头y处的声强为:P=P0βe-2αy,α=Kf2。

　　式中,P0,P分别为发射波与接收波的声强;f为声波振动频率;α为衰减系数;β为反射系数;K为常数。由此可见,声波在空气介质中传播时,声强按指数规律衰减。如何补偿这部分衰减正是自动增益电路所要解决的问题。

　　当结型场效应晶体管(JFET)工作在可变电阻区时,其漏源之间的沟道电阻与栅源电压Vgs有关,因而相当于一个由Vgs电压控制的电阻Rds。场效应晶体管的这一特性在自动控制系统中得到广泛应用,然而性能并不理想。首先,压控电阻两端的电压差必须很小,即Vds电压动态范围小;其次,沟道电阻的电流与端电压不是线性关系,即对于固定的Vgs,沟道电阻的值随其端电压而变。为了克服这两个缺点,本研究根据JFET工作在可变电阻区的总体要求提出一种简单方法,它既能有效地扩大沟道电阻的电压范围,消除非线性,又能扩大系统的动态范围。