超聲波頻率鍵控調(diào)制及幅值鍵控調(diào)制技術(shù)研究

超聲波頻率鍵控調(diào)制及幅值鍵控調(diào)制技術(shù)研究

0超聲波定位技術(shù)通信技術(shù)在廣播行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，技術(shù)非常成熟。能否將超聲波作為載波,對其進(jìn)行FSK、ASK調(diào)制發(fā)射,進(jìn)而將該技術(shù)應(yīng)用到超聲波測距和定位中,提高測量精度,改善定位效果,這還是一個問題。圍繞這個問題,針對應(yīng)用廣泛的收發(fā)分體式超聲波傳感器T40-16、R40-16,本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了超聲波調(diào)制發(fā)射與解調(diào)接收電路,進(jìn)行了超聲波的FSK及ASK調(diào)制特性實(shí)驗(yàn),并得到了定性結(jié)論。1fsk和ask配置原理1.1“0”狀態(tài)調(diào)制信號為按一定頻率變化的數(shù)字信號,有“1”和“0”2種狀態(tài)。載波在調(diào)制信號調(diào)制作用下,以對應(yīng)頻率f1和f2向外傳播,這就是應(yīng)用于通信中的頻率鍵控調(diào)制(FSK)技術(shù),調(diào)制原理如圖1所示。1.2幅值鍵控調(diào)制技術(shù)調(diào)制信號為按一定頻率變化的數(shù)字信號,有“1”和“0”2種狀態(tài),載波在調(diào)制信號調(diào)制作用下,以對應(yīng)頻率f和0向外傳播,這就是應(yīng)用于無線電通信中的幅值鍵控調(diào)制(ASK)技術(shù),調(diào)制原理如圖2所示。2電路的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)2.1發(fā)射模塊組成電路主要由發(fā)射模塊和接收模塊2部分構(gòu)成。方波發(fā)生電路、FSK調(diào)制電路、功率放大電路和超聲波發(fā)射傳感器組成發(fā)射模塊;超聲波接收傳感器、一級前置運(yùn)算放大電路和二級前置運(yùn)算放大電路組成接收模塊。其電路原理框圖如圖3所示。2.1.1超聲波發(fā)射傳感器op27發(fā)射模塊電路中,分頻器CD4060產(chǎn)生頻率可調(diào)的脈沖,作為鎖相環(huán)XR-2206的輸入信號。鎖相環(huán)XR-2206內(nèi)部的壓控振蕩器VCO產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦信號,由脈沖信號調(diào)制,經(jīng)OP27組成的功率放大電路放大后作為激勵信號,驅(qū)動超聲波發(fā)射傳感器向外發(fā)射超聲波。發(fā)射模塊電路如圖4所示。2.1.2放大處理后的觀察分析接收模塊電路較簡單,超聲波接收傳感器將接收的超聲波信號轉(zhuǎn)換為微弱的電信號,再由2個OP27構(gòu)成前置運(yùn)算放大電路進(jìn)行濾波、放大處理后輸出到示波器進(jìn)行觀察分析。接收模塊電路如圖5所示。超聲波接收傳感器的頻率特性顯示,接收效果與接收傳感器輸出端的外接電阻有很大關(guān)系。若R很大R>100kΩ),頻率特性是尖銳共振的,并且在這個頻率上靈敏度很高;若R較小(R<10kΩ),靈敏度隨之降低。所以超聲波接收傳感器應(yīng)與輸入阻抗高的前置放大器配合使用,才能有較高的接收靈敏度。2.2發(fā)射模塊設(shè)計電路主要由發(fā)射模塊和接收模塊2部分構(gòu)成。占空比可調(diào)多諧振蕩器電路、ASK調(diào)制電路、功率放大電路和超聲波發(fā)射傳感器組成發(fā)射模塊;超聲波接收傳感器、一級前置運(yùn)算放大電路和二級前置運(yùn)算放大電路組成接收模塊。其電路原理框圖如圖6所示。2.2.1ask2組調(diào)度電路發(fā)射模塊包含占空比可調(diào)多諧振蕩電路、ASK調(diào)制電路、功率放大電路和超聲波發(fā)射傳感器。分頻器CD4060和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4098構(gòu)成占空比可調(diào)多諧振蕩電路;ASK調(diào)制電路主要由鎖相環(huán)XR-2206組成。在此將XR-2206的端子8懸空,使得當(dāng)輸入的調(diào)制信號為“0”時,輸出信號頻率為0。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4098內(nèi)含2組功能完全相同的單元,電路中只用了第一組單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路,上升沿觸發(fā)。通過調(diào)節(jié)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器端子1、2之間的跨接電容Cx和端子2的外接電阻Rx,可以調(diào)節(jié)CD4060輸出方波信號的占空比,發(fā)射模塊電路如圖7所示。2.2.2ask接收模塊的電路設(shè)計接收模塊電路與FSK接收模塊電路相同,如圖5所示。3超聲波發(fā)射傳感器測試在實(shí)驗(yàn)室,制作了電路板,并且結(jié)合給定的超聲波傳感器(T40-16及R40-16)進(jìn)行了FSK調(diào)制特性實(shí)驗(yàn)。通過設(shè)置鎖相環(huán)XR-2206相關(guān)參數(shù),調(diào)整激勵正弦信號的頻率,用一定的偽碼數(shù)字信號進(jìn)行調(diào)制,驅(qū)動超聲波發(fā)射傳感器向外發(fā)射超聲波。在接收端對接收到的信號進(jìn)行記錄及分析,圖8給出了3種不同頻率正弦信號驅(qū)動下接收超聲波信號曲線。分析實(shí)驗(yàn)曲線,可得到以下結(jié)論:(1)驗(yàn)證了驅(qū)動信號頻率為超聲波傳感器中心頻率時,超聲波有效發(fā)射距離最大;(2)可以對超聲波進(jìn)行鍵控頻率調(diào)制發(fā)射,帶寬BW-5kHz;即對給定中心頻率為f0=40kHz的超聲波傳感器,驅(qū)動信號頻率在35～45kHz范圍內(nèi),進(jìn)行鍵控頻率調(diào)制發(fā)射的效果較好;(3)最佳調(diào)制發(fā)射頻率為f1=42kHz,f2=38kHz。4測量超聲波發(fā)射傳感器對被用戶“余振”現(xiàn)象的影響進(jìn)行ASK調(diào)制特性實(shí)驗(yàn),當(dāng)調(diào)制信號為高電平“1”時,調(diào)制電路產(chǎn)生f=40kHz的正弦激勵信號,驅(qū)動超聲波發(fā)射傳感器向外發(fā)射超聲波;調(diào)制信號為低電平“0”時,調(diào)制電路不產(chǎn)生激勵信號,超聲波發(fā)射傳感器停止向外發(fā)射超聲波。另外,還可以通過調(diào)節(jié)調(diào)制信號的占空比,觀察占空比變化對超聲波“余振”現(xiàn)象的影響。圖9給出了部分實(shí)驗(yàn)曲線,通過分析,可以得到以下結(jié)論:(1)可以對超聲波信號進(jìn)行ASK調(diào)制發(fā)射,但存在“余振”現(xiàn)象;(2)可以通過改變調(diào)制信號的占空比,在一定程度上可以減弱“余振”幅度和持續(xù)時間。5k調(diào)制發(fā)射、接收超聲波信號可以作為載波,進(jìn)