CN101557204A - 超声测距用多级高动态范围自动增益控制电路 - Google Patents

Abstract

一种超声测距用多级高动态范围自动增益控制电路，有依次串联连接的n级放大电路，第一级的输入端连接输入信号，第n级的输出构成输出信号，输出信号还通过依次串联连接的取样电路、PID电路和限幅电路后，分别连接各结型场效应管，PID电路的信号输入端还连接给定电路。每一级放大电路中包括一个运算放大器，各运算放大器的同相输入端和反相输入端各连接一个结型场效应管的漏极，各结型场效应管的源极接地，运算放大器反相输入端所连接的结型场效应管的栅极连接限幅电路的输出端，运算放大器同相输入端所连接的结型场效应管的栅极接地。本发明无论放大倍数的规律如何，都能使其稳定在设定值。且采用多级放大提高动态范围，采用压控电阻控制增益使其无级可调。

Description

超声测距用多级高动态范围自动增益控制电路

技术领域

本发明涉及一种超声测距系统回声信号自动控制技术。特别是涉及一种适用于工业现场基于超声的距离测量，也可用于移动机器人实时避障或自主车辆导航等的超声测距用多级高动态范围自动增益控制电路。

背景技术

在空气介质中，声波沿其传播路径受到反射、散射、吸收等因素的影响，其强度将随传播距离的增大而迅速衰减。因此，障碍物距离超声换能器较远时，回声信号很微弱，障碍物距离超声换能器较近时，回声信号幅度大，这种回声信号幅度的波动会给回声信号的接收以及后续处理带来不确定性，从而导致测量误差产生，甚至产生错误测量结果。因此，通常在超声测距系统的回声信号接收电路中配置自动增益控制电路。

自动增益控制电路能自动调节电路的放大倍数，在信号输入微弱时，放大倍数增大；同样在输入信号很强时，放大倍数变小；此增益控制电路在输入信号幅度不同的情况下，输出信号幅值相同且波形不失真。

图1描述了超声测距系统的原理框图。下面将说明超声测距系统的结构及工作原理。如图1所示，系统上电后开始工作，由FPGA的发射序列模块101产生发射序列，该发射序列通过功率放大模块102放大为高压信号，该高压信号激励超声换能器103发射出超声波，超声波遇到障碍物104后返回，返回的回声信号被超声换能器103接收，接收到的回声信号经过滤波电路105后送往自动增益控制电路106放大到预定值以保证回声信号波形的幅值不随测量距离的变化而变化，放大后的回声信号送往整形电路107转换为二值信号，将该二值信号送入FPGA的回声信号处理及距离计算模块108计算换能器与障碍物的距离。

国内外相关文献分析：

文献“自动增益电路在超声波测距系统中的应用研究”(测控技术，2005年第24卷第7期，华中科技大学控制科学与工程系，曾祥进，王敏，黄心汉)应用场效应管的可变电阻功能，设计了一种自动增益电路来对超声波的声波衰减进行补偿。该文献根据声波在空气中传播时声强按指数规律衰减的特性，设计的自动增益补偿电路的放大倍数呈指数规律变化。

文献“提高超声波测距精度方法的研究”(现代电子技术，2007年第15期，中国计量学院，张珂，刘钢海)采用时间增益补偿技术，补偿超声波在空气中的衰减，减少回波信号的起伏。该文献根据时间增益补偿回声信号的衰减，即时间上较早到达的回声信号的放大倍数较小。

文献“大动态范围高线性JFET压控电阻”(南开大学学报(自然科学)，2001年第34卷第4期，南开大学微电子科学系，宋树贵，柏松)扩大了JFET可变电阻区的动态范围，并能实现压控正电阻和压控负电阻。该文献只讨论了如何扩大JFET可变电阻区的动态范围，不涉及自动增益控制电路的设计。

文献“一种高精度超声波测距系统的改进”(电子技术应用，2007年第4期，中南大学机电工程学院，赵海鸣，王纪婵，刘军，史春雪)提出了一种利用回波包络、微分和过零检测来确定超声波回波到达时刻的方法，在其硬件电路的设计中自动增益电路由可编程放大器，数字电位器结合单片机实现，将在不同距离处测得的放大倍数换算成数字电位器的抽头位置，将位置参数固化到E²PROM中，单片机通过中断方式查表获得对应的放大倍数，该文献中的自动增益电路所能放大的倍数有限，不能实现放大倍数无级可调。

“自动增益控制电路”(专利申请号：200310117902.5)提出了一种不需要由电阻器和电容器构成的积分电路的自动增益控制电路，该方案中控制输入信号的放大或衰减倍数是由电压比较器、递增/递减计数器和数/模转换电路组成，输出信号与设定信号送入电压比较器，用电压比较器的输出信号控制递增/递减计数器的计数值，从数/模转换电路输出与计数值对应的电压，该电压控制可变增益放大电路的增益值。此发明不涉及多级放大，且放大倍数不是无级可调的。

“自动增益控制电路”(实用新型专利申请号：200620129766.0)提供的自动增益控制电路的放大倍数控制信号由比较器和积分器产生。

“大动态输入信号自动增益控制电路”(专利申请号：00125471.5)提出了一种大动态输入信号自动增益控制电路，能够补偿二极管在小信号检波时的非线性问题，其用两级受控增益放大电路来实现电路中的自动增益控制能力，放大倍数的控制方法使用比较器。

博士学位论文“大量程超声波测距系统研究”(国防科学技术大学，潘仲明，2006)采用阻容电路的充放电规律实现增益按指数规律变化的自动增益可控电路。

硕士学位论文“高精度实时超声测距技术研究”(国防科学技术大学，隋卫平，2003)采用软硬件结合的方法实现增益随时间呈指数变化的自动增益控制电路，微处理器通过查表方式确定某时刻的增益，此方案中电路的放大倍数有限，不是无级可调的。

硕士学位论文“水中超声波接收机自动增益和信号处理技术”(南京理工大学，郑吉华，2007)采用数字处理方法实现自动增益控制电路，它将信号采样量化后通过数字处理的方法得到增益控制参量，然后控制接收机的可增益运算放大器实现增益控制。

通过查阅文献发现，现在实现自动增益控制的方法主要有两种：一种是传统的模拟方法，采用积分电路来实现；另一种是数字方法，它将信号采样量化后通过数字处理的方法得到增益控制参量，然后控制接收机的可变增益运算放大器实现增益控制。这两种方法共同的特点是需要事先知道信号放大倍数的规律(如超声信号在空气中放大倍数呈指数规律)。而传统的模拟方法采用积分电路实现自动增益控制的机理是RC充放电规律呈指数规律，传统的数字方法需将试验测得的一定距离处的放大倍数存储在单片机内，供实际测距时调用。由于超声信号在空气中传播时受多种因素的影响，采用传统方法设计的自动增益控制电路都有一定的局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可变增益范围大、稳定可靠，扩大系统的动态可变范围，且倍数可无级调节；采用PID调节电路控制放大倍数使得放大后的电压值稳定在预定值的超声测距用多级高动态范围自动增益控制电路。

本发明所采用的技术方案是：一种超声测距用多级高动态范围自动增益控制电路，包括有：依次串联连接的n级放大电路，每一级放大电路上分别对应连接结型场效应管，所述的第一级放大电路的输入端连接输入信号，所述的第n级放大电路的输出构成输出信号，所述的输出信号还通过依次串联连接的取样电路、PID电路和限幅电路后，分别连接各结型场效应管，所述的PID电路的信号输入端还连接给定电路。

所述的每一级放大电路中都包括一个运算放大器，所述的n个运算放大器为相同结构，每一个运算放大器的同相输入端和反相输入端各连接一个结型场效应管的漏极，各结型场效应管的源极接地，其中，运算放大器反相输入端所连接的结型场效应管的栅极连接限幅电路的输出端，运算放大器同相输入端所连接的结型场效应管的栅极接地。

所述的取样电路包括有将输入的交流信号电压整流滤波成直流信号电压的全波整流电路，所述的交流信号电压与直流信号电压幅度成正比。

所述的给定电路包括有三端稳压基准芯片和由电阻组成的外围电路，以及与三端稳压基准芯片阴、阳极连接的电位器，所述电位器的可调端连接PID电路。

所述的PID电路包括有接收取样电路的反馈信号电压和给定电路的给定信号电压并计算出偏差电压的加法器，以及接收偏差电压的PID调节器。

本发明的超声测距用多级高动态范围自动增益控制电路，采用PID调节器控制放大倍数，无论放大倍数的规律如何，它都能使其稳定在设定值。且采用多级放大提高其动态范围，采用压控电阻控制增益使其无级可调的。本发明的特点如下：

(1)采用JFET压控电阻控制电路的增益，实现增益的无级调节。

(2)采用多个放大电路同时工作，扩大可控制增益的动态范围。

(3)因采用PID调节器控制电路的增益，使得输出电压稳定，为测距系统的后续模块工作提供可靠依据，使得系统测距准确性提高。

附图说明

图1是超声测距系统原理框图；

图2是本发明的自动增益控制电路结构框图；

图3是本发明的自动增益控制电路原理图；

图4是超声测距用多级高动态范围自动增益控制电路的实验测试效果图，其中，

(a)输入电压3mV；  (b)输入电压10mV；   (c)输入电压50mV；

(d)输入电压100mV  (e)输入电压500mV    (f)输入电压1V

(g)输入电压2V     (h)输入电压3V。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的超声测距用多级高动态范围自动增益控制电路做出详细说明。

本发明提出了一种新的超声测距用多级高动态范围自动增益控制电路。该电路采用多个结型场效应管(JFET)组成多级受控增益控制电路来实现电路中的自动增益控制能力，扩大系统的动态可变范围。采用PID调节电路控制增益使得回声信号的电压值稳定在预定值，使得系统稳定可靠。所提方法一方面可实现在高动态范围内无级控制增益调节电压幅值，实验测得所设计电路的最大放大倍数约为20736倍；另一方面可实现自动增益调节后的回声信号电压幅值稳定且不失真，设计电路中的输出信号峰-峰电压稳定在6.0V。

如图2所示，本发明的超声测距用多级高动态范围自动增益控制电路，包括有：依次串联连接的n(n≥1)级放大电路1、2、3、…4，每一级放大电路上分别对应连接结型场效应管8、7、6、…5，所述的第一级放大电路1的输入端连接输入信号IN，所述的第n级放大电路4的输出构成输出信号OUT，所述的输出信号OUT还通过依次串联连接的取样电路9、PID电路11和限幅电路12后，分别连接各结型场效应管8、7、6、…5，所述的PID电路11的信号输入端还连接给定电路10。

本发明首先根据实际需要通过给定电路10设定预期电压值，输入信号IN送入放大电路1进行一级放大，一级放大的输出送入放大电路2进行二级放大，依次类推，n-1级放大的输出送入放大电路n进行n级放大，经过n级放大后输出OUT。取样电路9对输出信号OUT进行取样，取样电压和预期电压送入PID电路11，如果取样电压和预期电压不同，PID电路11输出经过限幅电路12限幅后改变结型场效应管JFET 8，7，6，…，5的电阻值，这些电阻值控制相应放大电路1，2，3，…，n的放大倍数，直到取样电压和预期电压相同时，PID电路11输出不改变结型场效应管JFET 8，7，6，…，5的电阻值，各级放大电路的放大倍数保持不变，输出信号OUT稳定于预期电压值。

下面结合图3说明具体电路构成和原理。

所述的每一级放大电路中都包括一个运算放大器，所述的n个运算放大器为相同结构，每一个运算放大器的同相输入端和反相输入端各连接一个结型场效应管的漏极，各结型场效应管的源极接地，其中，运算放大器反相输入端所连接的结型场效应管的栅极连接限幅电路12的输出端，运算放大器同相输入端所连接的结型场效应管的栅极接地。

首先说明一级放大电路1的工作原理，超声换能器接收到超声回声信号IN是一级放大电路1的输入电压V_i，若此时控制电压为V_c，一级放大电路1的输出电压为V₁。输入电压V_i通过电容C3隔直后，再通过两个电阻R5和R6的分压作用，将结型场效应管Q1，Q2的漏-源电压V_DS降至0.3V以下，V_c控制运算放大器U1(型号为NE5532)反相端的结型场效应管Q1(JFET8)的栅-源电压V_GS，也就是控制了结型场效应管Q1(JFET8)的漏-源电阻R_DS，进而控制运算放大器U1的放大倍数来控制一级放大电路1的输出电压V₁。具体解释如下：

当V_P＜V_GS≤0，V_DS≤V_GS-V_P时，结型场效应管工作在可变电阻区。

i_D＝K_n(2(V_GS-V_P)V_DS-V_DS ²)(1)

K_n＝I_DSS/V_P ²(2)

其中，V_P为夹断电压，I_DSS为饱和漏电流。

当结型场效应管的漏-源电压V_DS很小时，式(1)可近似为：

i_D＝2K_n(V_GS-V_P)V_DS    (3)

$R=\frac{V_{\mathrm{DS}}}{i_D}=\frac{1}{2K_n(V_{\mathrm{GS}}-V_P)}---\left(4\right)$

R为结型场效应管的漏-源电阻。

可见，只要改变结型场效应管的栅-源电压V_GS就能改变结型场效应管的漏-源电阻的大小。

一级放大电路1中放大器输入与输出的关系为：

$V_1=[\frac{R_{Q2}R1}{R6+R_{Q2}}(\frac{1}{R5}+\frac{1}{R_{Q1}}+\frac{1}{R1})-\frac{R1}{R5}]V_i---\left(5\right)$

当R5＞＞R_Q1，R1＞＞R_Q1时，

$V_1=(\frac{R_{Q2}}{R6+R_{Q2}}\frac{R1}{R_{Q1}}-\frac{R1}{R5})V_i---\left(6\right)$

当R6＞＞R_Q2时，

$V_1=(\frac{R_{Q2}}{R6}\frac{R1}{R_{Q1}}-\frac{R1}{R5})V_i---\left(7\right)$

其中，R_Q1和R_Q2分别是结型场效应管Q1和Q2的漏-源电阻。R_Q2R1/R6R_Q1为同相输入端的放大倍数，R1/R5为反相输入端的放大倍数。因为结型场效应管Q1(JFET8)的漏-源电压V_DS很小，R_Q1的值可认为不受其漏-源电压V_DS的影响，所以栅-源电压V_c(控制电压)控制R_Q1的值，即控制放大器的倍数。

运算放大器U1同相端的结型场效应管Q2的作用是配合运算放大器U1反相端的结型场效应管Q1使其线性电阻区尽可能大，扩展结型场效应管Q1的输入电阻R_Q1的动态范围，即扩展结型场效应管Q1的输入电压V_DS的动态范围。具体解释如下：

由于一级放大电路1的“+”端“-”端相当于虚短，即其“+”端“-”端的电压基本相等，所以当超声回声信号V_i的幅值变大时，结型场效应管Q1的漏-源电压V_DS变化不大，这样保证了结型场效应管Q1工作在可变电阻区的条件，同时扩大了结型场效应管Q1的漏-源电压V_DS端电压的动态范围。具体解释如下：当超声回声信号V_i增大时，结型场效应管Q1的V_DS端电压增大，结型场效应管Q2的V_DS端电压也增大，由于结型场效应管Q2的V_GS＝0，此时结型场效应管Q2的漏极电流I_2D也随之增大(因为结型场效应管Q1的V_GS为负压，所以结型场效应管Q2的漏极电流I_2D增加的速度比结型场效应管Q1的漏极电流I_1D要大得多)，从而导致电阻R6两端的电压降也随之增大，又有V_n＝V_i-R₆×I_2D，所以V_n几乎维持不变。由于运算放大器U1的“虚短”特点，V_n＝V_m，故结型场效应管Q1的V_DS端电压维持在小范围，仍能满足可变电阻区的工作条件，这样就大大扩展了输入电阻电压的动态范围。

二级放大电路2的工作原理与一级放大电路1类似，一级放大电路1的输出电压V₁通过电容C6和电阻R7滤波后，再通过两个电阻R8和R9的分压作用，将结型场效应管Q3，Q4的漏-源电压V_DS降至0.3V以下，V_c控制运算放大器U2(型号NE5532)反相端的结型场效应管Q4(JFET7)的栅-源电压V_GS，也就是控制了结型场效应管Q4(JFET7)的漏-源电阻R_DS，进而控制运算放大器U2的放大倍数来控制二级放大电路2的输出电压V₂。

三级放大电路3的工作原理与二级放大电路2类似，二级放大电路2的输出电压V₂通过电容C7和电阻R11滤波后，再通过两个电阻R12和R13的分压作用，将结型场效应管Q5，Q6的漏-源电压V_DS降至0.3V以下，V_c控制运算放大器U3(型号NE5532)反相端的结型场效应管Q5(JFET6)的栅-源电压V_GS，也就是控制了结型场效应管Q5(JFET6)的漏-源电阻R_DS，进而控制运算放大器U3的放大倍数来控制三级放大电路3的输出电压V₃。

四级放大电路4的工作原理与三级放大电路3类似，三级放大电路3的输出电压V₃通过电容C9和电阻R14滤波后，再通过两个电阻R15和R16的分压作用，将结型场效应管Q7，Q8的漏-源电压V_DS降至0.3V以下，V_c控制运算放大器U4(型号NE5532)反相端的结型场效应管Q8(JFET5)的栅-源电压V_GS，也就是控制了结型场效应管Q4(JFET5)的漏-源电阻R_DS，进而控制运算放大器U4的放大倍数来控制四级放大电路4的输出电压V_o。

本电路以四级放大电路为例(可以推广到n级放大)，四级放大电路具有相同的自增益放大倍数，通过实验测得每级放大倍数约为12倍，总的放大倍数约20736倍。

所述的取样电路9包括有将输入的交流信号电压V_o整流滤波成直流信号电压V_r的全波整流电路，所述的交流信号电压V_o与直流信号电压V_r幅度成正比。

取样电路9将多级放大器输出信号经过电容C11隔直的信号V_o，通过由运算放大器U5(型号NE5532)，二极管D2和D3组成的全波整流电路整流滤波成直流信号V_r，且直流电压V_r幅度与交流信号电压V_o幅度成正比，这个直流电压V_r作为系统的输出反馈信号，输入到PID电路11，调节电位器R36可以改变反馈电压的大小。

所述的给定电路10包括有并联型三端稳压基准芯片D(型号为TL431)和由电阻R27、R29和R34组成的外围电路，以及与并联型三端稳压基准芯片D的阴、阳极连接的电位器R35，所述电位器R35的可调端连接PID电路11。

为了使得给定电压稳定，本发明的给定电路10采用高精度的稳压基准芯片TL431构成并联型稳压电源，再通过电阻R35分压成电路所需要的给定电压V_d后送入PID电路11。

所述的PID电路11包括有接收取样电路9的反馈信号电压V_r和给定电路10的给定信号电压V_d并计算出偏差电压V_e的加法器U6，以及接收偏差电压V_e的PID调节器。

反馈电压V_r(负值)和给定电压V_d(正值)送入加法器U6(型号NE5532)计算出偏差电压V_e(V_e＝V_r+V_d)，此偏差电压送入由电容C14，电阻R21，R19，电容C12及运算放大器U7(型号NE5532)构成的PID调节器中，则PID电路11的输出电压为V。具体解释如下：

$Z_1=\frac{R_{21}{Z}_{C14}}{R_{21}+Z_{C14}},$ Z₂＝R₁₉+Z_C12(8)

$\frac{V_e}{Z_1}=-\frac{V}{Z_2}---\left(9\right)$

$V=-\frac{Z_2}{Z_1}{V}_e=-\frac{(R_{19}+Z_{C12})(R_{21}+Z_{C14})}{R_{21}{Z}_{C14}}{V}_e$

$=-\frac{(R_{19}+\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_{12}j})(R_{21}+\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_{14}j})}{R_{21}\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_{14}j}}{V}_e---\left(10\right)$

则：

$V\left(s\right)=-\frac{(R_{19}+\frac{1}{C_{12}s})(R_{21}+\frac{1}{C_{14}s})}{R_{21}\frac{1}{C_{14}s}}{V}_e---\left(11\right)$

输入输出关系式：

$V=(\frac{R_{19}}{R_{21}}+\frac{C_{14}}{C_{12}})V_e+\frac{1}{R_{21}{C}_{12}}{\∫V}_e\mathrm{dt}+R_{19}{C}_{14}\frac{{\mathrm{dV}}_e}{\mathrm{dt}}---\left(12\right)$

PID电路11的输出电压经过由二极管D1构成的限幅电路12后输出电压V_c送入结型场效应管8、7、6、5的栅极控制其栅-源电压，进而控制四级放大电路1，2，3，4的放大倍数，整个系统组成一个由PID控制器调节的闭环反馈控制系统。

Claims (5)

1.一种超声测距用多级高动态范围自动增益控制电路，其特征在于，包括有：依次串联连接的n级放大电路(1、2、3、…4)，每一级放大电路上分别对应连接结型场效应管(8、7、6、…5)，所述的第一级放大电路(1)的输入端连接输入信号(IN)，所述的第n级放大电路(4)的输出构成输出信号(OUT)，所述的输出信号(OUT)还通过依次串联连接的取样电路(9)、PID电路(11)和限幅电路(12)后，分别连接各结型场效应管(8、7、6、…5)，所述的PID电路(11)的信号输入端还连接给定电路(10)。

2.根据权利要求1所述的超声测距用多级高动态范围自动增益控制电路，其特征在于，所述的每一级放大电路中都包括一个运算放大器，所述的n个运算放大器为相同结构，每一个运算放大器的同相输入端和反相输入端各连接一个结型场效应管的漏极，各结型场效应管的源极接地，其中，运算放大器反相输入端所连接的结型场效应管的栅极连接限幅电路(12)的输出端，运算放大器同相输入端所连接的结型场效应管的栅极接地。

3.根据权利要求1所述的超声测距用多级高动态范围自动增益控制电路，其特征在于，所述的取样电路(9)包括有将输入的交流信号电压(V_o)整流滤波成直流信号电压(V_r)的全波整流电路，所述的交流信号电压(V_o)与直流信号电压(V_r)幅度成正比。

4.根据权利要求1所述的超声测距用多级高动态范围自动增益控制电路，其特征在于，所述的给定电路(10)包括有三端稳压基准芯片(D)和由电阻(R27、R29、R34)组成的外围电路，以及与三端稳压基准芯片(D)阴、阳极连接的电位器(R35)，所述电位器(R35)的可调端连接PID电路(11)。

5.根据权利要求1所述的超声测距用多级高动态范围自动增益控制电路，其特征在于，所述的PID电路(11)包括有接收取样电路(9)的反馈信号电压(V_r)和给定电路(10)的给定信号电压(V_d)并计算出偏差电压(V_e)的加法器(U6)，以及接收偏差电压(V_e)的PID调节器。

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