CN209542835U - 回波信号处理电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于超声波测距领域，具体涉及一种回波信号处理电路；包括收发一体超声波探头、初级放大电路、滤波电路、次级放大电路、检波整形电路以及电平转换电路，上述各电路依次连接；其中，经收发一体超声波探头经检测输入的回波信号经初级放大电路放大，后通过滤波电路进行滤波，经滤波后的信号经次级放大电路进行二次放大，信号放大后经检波整形电路处理得到方波信号，将方波信号输入电平转换电路转换成开关信号后输出；该电路简单实用，对输入回波信号进行有效滤波，提升了滤波处理电路的效率及电路的放大增益，使得后续电路易处理，响应速率增强；所得到的信号有效反映检测距离，使得超声波检测灵敏度有效提升。

Description

回波信号处理电路

技术领域

本实用新型属于超声波测距领域，具体涉及一种回波信号处理电路。

背景技术

随着传感器技术的发展，在测距传感器领域，超声波测距传感器具有探测距离适中和较高的探测精度，且对环境的适应性较高，尤其对于透明物体(如玻璃等)能进行有效探测，而探测透明物体是光学传感器所不具备的,超声波测距最适合于复杂场景技术方案，然而超声波测距在实际应用中也存在局限性，影响了超声波测距的精度。超声波在空气中衰减极大，由于测量距离的不同，造成回波信号的波动变化，也使得信号存在较大的误差。

现有的超声波测距方案的回波处理电路如图1所示，采用简单的先放大再滤波的处理方式，由此带来的问题是在放大回波信号的同时也放大了其他的噪声信号，从而加大了滤波处理电路的难度，使得后续电路更加复杂，响应速率降低。

实用新型内容

为克服以上现有技术的不足，本实用新型公开了一种回波信号处理电路。

本实用新型采用以下技术方案：提供一种回波信号处理电路，包括收发一体超声波探头、初级放大电路、滤波电路、次级放大电路、检波整形电路以及电平转换电路，所述收发一体超声波探头、初级放大电路、滤波电路、次级放大电路、检波整形电路和电平转换电路依次连接；其中，经收发一体超声波探头经检测输入的回波信号经初级放大电路放大，后通过滤波电路进行滤波，经滤波后的信号经次级放大电路进行二次放大，信号放大后经检波整形电路处理得到方波信号，将方波信号输入电平转换电路转换成开关信号后输出。

发明人指出，现有方案的回波处理电路采用先放大再滤波处理的方式，由此带来的问题是在放大回波信号的同时也放大了其他的噪声信号，从而加大了滤波处理电路的难度，使得后续电路更加复杂，使得响应速率降低。本实用新型的初级放大电路滤波电容将收发一体超声波探头接收到的回波信号中的低频直流信号滤掉，使得初级放大电路仅对回波信号中的交流信号放大。后经无限增益多路反馈带通滤波器进行有效滤波；次级放大电路对滤波后的信号进行二次放大以满足后续处理的要求；经过两级处理后放大电路的总增益达到30dB；40kHz 高频信号经过检波电路后形成圆滑的包络信号；由于包络信号不便于处理器处理，需要将检波后的包络信号进行整形；由于超声波探头接收到回波信号的强度受自身到障碍物间的距离和环境因素影响，使得经过处理整形后的信号幅度具有不确定性，为了便于处理器进行处理，需要将检波整形后的信号幅度经过电平转换电路转换成幅度为3.3V的开关信号，经上述处理后，本电路所得到的信号有效反映检测距离，使得检测灵敏度有效提升。

作为对该方案的进一步的改进，收发一体超声波探头连接到第一电阻一端，第一电阻另一端与第一电容一端相连接，第一电容的另一端与第一运放的反相输入端相连接；第一运放的同相输入端连接到第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接到第三电阻的一端，第三电阻的另一端与第一运放的输出端相连接；第一运放的同相输入端与第二电容的一端连接，第二电容的另一端接地；第一运放的输出端与第四电阻一端相连接，第四电阻的另一端连接到第三电容的一端，第三电容的另一端连接到第二运放的反相输入端；第二运放的同相输入端与第五电阻的一端相连接，第五电阻的另一端连接到第六电阻和第四电容并联后的一端，第六电阻和第四电容并联后的另一端与第二运放的输出端相连接；第二运放的同相输入端与第二电容的一端相连接，第二电容的另一端接地；第二运放的输出端与第七电阻的一端相连接，第七电阻的另一端与第五电容的一端相连接，第五电容的另一端与第三运放的反相输入端相连接；第三运放的反相输入端与第八电阻的一端相连接，第八电阻的另一端连接到第三运放的输出端；第三运放的同相输入端一方面与第十五电阻的一端相连接，第十五电阻的另一端接电源，另一方面与第十六电阻的一端相连接，第十六电阻的另一端接地；第三运放的输出端与第六电容的一端相连接，第六电容的另一端连接到检波二极管的一端，检波二极管的另一端连接到第四运放的同相输入端；第四运放的同相输入端与第九电阻和第七电容并联后的一端相连接，第九电阻和第七电容并联后的另一端连接到第四运放的反相输入端；第四运放的反相输入端一方面经第十电阻接电源，另一方面经第十一电阻接地；第四运放的输出端与稳压二极管的一端相连接，稳压二极管的另一端连接到三极管的基极；三极管的基极与第十二电阻和第八电容并联后的一端相连接，第十二电阻和第八电容并联后的另一端接地；三极管的发射极接地；三极管的集电极与第十三电阻的一端相连接，第十三电阻的另一端接电源；三极管与第十四电阻的一端相连接，第十四电阻的另一端连接到信号输出端。

进一步的，所述第一电容用于过滤收发一体超声波探头接收到的回波信号中的低频直流信号。

进一步的，所述初级放大电路对回波信号中的交流信号进行放大。

进一步的，由第四电阻、第六电阻、第三电容、第二运放、第五电阻、第四电容组成无限增益多路反馈带通滤波器。

进一步的，所述第九电阻和第七电容构成低通滤波器。

进一步的，所述低通滤波器用于将检波整形电路得到信号处理形成包络信号，再经整形处理为方波信号。

进一步的，经检波整形电路得到方波信号经电平转换电路转换成幅度为3.3V的开关信号。

进一步的，所述初级放大电路的增益为8dB，次级放大电路的增益为15dB，经两级处理后电路总增益为30dB。

本实用新型具有以下有益效果：电路简单实用，对输入回波信号进行有效滤波，提升了滤波处理电路的效率及电路的放大增益，使得后续电路易处理，响应速率增强，本电路所得到的信号有效反映检测距离，使得超声波检测灵敏度有效提升。

附图说明

图1为现有的回波处理电路；

图2为本实用新型回波信号处理电路框图；

图3为本实用新型回波信号处理的电路图。

具体实施方式

如图2所示，回波信号处理电路由采集回波信号的收发一体超声波探头、初级放大电路、滤波电路、次级放大电路、检波整形电路和电平转换电路组成；其中，经收发一体超声波探头经检测输入的回波信号经初级放大电路放大，后通过滤波电路进行滤波，经滤波后的信号经次级放大电路进行二次放大，信号放大后经检波整形电路处理得到方波信号，将方波信号输入电平转换电路转换成开关信号后输出。

具体电路示意图如图3所示，收发一体超声波探头连接到第一电阻1一端，第一电阻1 另一端与第一电容2一端相连接，第一电容2的另一端与第一运放4的反相输入端相连接；第一运放4的同相输入端连接到第二电阻3的一端，第二电阻3的另一端连接到第三电阻7 的一端，第三电阻7的另一端与第一运放4的输出端相连接；第一运放4的同相输入端与第二电容34的一端连接，第二电容34的另一端接地；第一运放4的输出端与第四电阻6一端相连接，第四电阻6的另一端连接到第三电容8的一端，第三电容8的另一端连接到第二运放9的反相输入端；第二运放9的同相输入端与第五电阻7的一端相连接，第五电阻7的另一端连接到第六电阻10和第四电容11并联后的一端，第六电阻10和第四电容11并联后的另一端与第二运放9的输出端相连接；第二运放9的同相输入端与第二电容34的一端相连接，第二电容34的另一端接地；第二运放9的输出端与第七电阻12的一端相连接，第七电阻12 的另一端与第五电容13的一端相连接，第五电容13的另一端与第三运放14的反相输入端相连接；第三运放14的反相输入端与第八电阻15的一端相连接，第八电阻15的另一端连接到第三运放14的输出端；第三运放14的同相输入端一方面与第十五电阻32的一端相连接，第十五电阻32的另一端接电源，另一方面与第十六电阻33的一端相连接，第十六电阻33的另一端接地；第三运放14的输出端与第六电容16的一端相连接，第六电容16的另一端连接到检波二极管17的一端，检波二极管17的另一端连接到第四运放20的同相输入端；第四运放 20的同相输入端与第九电阻18和第七电容19并联后的一端相连接，第九电阻18和第七电容19并联后的另一端连接到第四运放20的反相输入端；第四运放20的反相输入端一方面经第十电阻23接电源，另一方面经第十一电阻22接地；第四运放20的输出端与稳压二极管 24的一端相连接，稳压二极管24的另一端连接到三极管27的基极；三极管27的基极与第十二电阻26和第八电容25并联后的一端相连接，第十二电阻26和第八电容25并联后的另一端接地；三极管27的发射极接地；三极管27的集电极与第十三电阻28的一端相连接，第十三电阻28的另一端接电源；三极管27与第十四电阻29的一端相连接，第十四电阻29的另一端连接到信号输出端。

其中运放4、9、14、20为单电源运放，均采用12V电源供电；电源21、31为12V电源；电阻32、33为偏置分压电阻，为图中运放4、9、14提供正向偏置电压，34为去耦电容。1～5 构成初级放大电路，1为输入电阻，2为隔直电容，3为输入信号上拉电阻，4为单电源运放， 5为反馈电阻；前级放大的增益通过电阻1和电阻5确定，本实用新型的前级增益为8dB；滤波电容2将收发一体超声波探头接收到的回波信号中的低频直流信号滤掉，使得初级放大电路仅对回波信号中的交流信号放大。6～11构成无限增益多路反馈带通滤波器，其中心频率和通带带宽通过电阻6、7、10和电容8、11确定；本实用新型设计的中心频率为40.1kHz，通带增益为7dB，带宽为36.918kHz～43.283kHz；12～15构成次级放大电路，对滤波后的信号进行二次放大以满足后续处理的要求；电路结构与初级放大电路一致，由于进入次级放大部分的信号已经过滤波，因此只需将滤波后的信号放大到符合后续处理要求即可；次级放大电路的增益为15dB；故经过处理后放大电路的总增益为30dB。16～25构成检波整形电路，其中16～19为检波电路，21～25为整形电路；检波电路中16为隔直电容，17为检波二极管，电阻18和电容19构成低通滤波器；40kHz高频信号经过检波电路后形成圆滑的包络信号；由于包络信号不便于处理器处理，需要将检波后的包络信号进行整形处理得到开关信号；整形电路实际为21～25构成的电压比较器，运放20的反相端通过电阻22和电阻23分压得到 6V的基准电压，包络信号经过比较器后得到一定脉宽的方波信号；稳压二极管24用于滤除幅度较低的干扰信号。

由于超声波探头接收到回波信号的强度受自身到障碍物间的距离和环境因素影响，使得经过处理整形后的信号幅度具有不确定性，为了便于处理器进行处理，需要进行检波整形后的信号幅度转换成处理器所能使用的范围。图中26～30为电平转换电路，26为基级下拉电阻，27为NPN三极管，28为集电极上拉电阻，29为处理器I/O口限流电阻，30为3.3V电源；经过电平转换电路后，检波整形后的信号转换成幅度为3.3V的开关信号。

Claims (9)

1.回波信号处理电路，其特征在于，包括收发一体超声波探头、初级放大电路、滤波电路、次级放大电路、检波整形电路以及电平转换电路，所述收发一体超声波探头、初级放大电路、滤波电路、次级放大电路、检波整形电路和电平转换电路依次连接；其中，经收发一体超声波探头经检测输入的回波信号经初级放大电路放大，后通过滤波电路进行滤波，经滤波后的信号经次级放大电路进行二次放大，信号放大后经检波整形电路处理得到方波信号，将方波信号输入电平转换电路转换成开关信号后输出。

2.如权利要求1所述的回波信号处理电路，其特征在于，所述收发一体超声波探头连接到第一电阻一端，第一电阻另一端与第一电容一端相连接，第一电容的另一端与第一运放的反相输入端相连接；第一运放的同相输入端连接到第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接到第三电阻的一端，第三电阻的另一端与第一运放的输出端相连接；第一运放的同相输入端与第二电容的一端连接，第二电容的另一端接地；第一运放的输出端与第四电阻一端相连接，第四电阻的另一端连接到第三电容的一端，第三电容的另一端连接到第二运放的反相输入端；第二运放的同相输入端与第五电阻的一端相连接，第五电阻的另一端连接到第六电阻和第四电容并联后的一端，第六电阻和第四电容并联后的另一端与第二运放的输出端相连接；第二运放的同相输入端与第二电容的一端相连接，第二电容的另一端接地；第二运放的输出端与第七电阻的一端相连接，第七电阻的另一端与第五电容的一端相连接，第五电容的另一端与第三运放的反相输入端相连接；第三运放的反相输入端与第八电阻的一端相连接，第八电阻的另一端连接到第三运放的输出端；第三运放的同相输入端一方面与第十五电阻的一端相连接，第十五电阻的另一端接电源，另一方面与第十六电阻的一端相连接，第十六电阻的另一端接地；第三运放的输出端与第六电容的一端相连接，第六电容的另一端连接到检波二极管的一端，检波二极管的另一端连接到第四运放的同相输入端；第四运放的同相输入端与第九电阻和第七电容并联后的一端相连接，第九电阻和第七电容并联后的另一端连接到第四运放的反相输入端；第四运放的反相输入端一方面经第十电阻接电源，另一方面经第十一电阻接地；第四运放的输出端与稳压二极管的一端相连接，稳压二极管的另一端连接到三极管的基极；三极管的基极与第十二电阻和第八电容并联后的一端相连接，第十二电阻和第八电容并联后的另一端接地；三极管的发射极接地；三极管的集电极与第十三电阻的一端相连接，第十三电阻的另一端接电源；三极管与第十四电阻的一端相连接，第十四电阻的另一端连接到信号输出端。

3.如权利要求2所述的回波信号处理电路，其特征在于，所述第一电容用于过滤收发一体超声波探头接收到的回波信号中的低频直流信号。

4.如权利要求1所述的回波信号处理电路，其特征在于，所述初级放大电路对回波信号中的交流信号进行放大。

5.如权利要求2所述的回波信号处理电路，其特征在于，由第四电阻、第六电阻、第三电容、第二运放、第五电阻、第四电容组成无限增益多路反馈带通滤波器。

6.如权利要求2所述的回波信号处理电路，其特征在于，所述第九电阻和第七电容构成低通滤波器。

7.如权利要求6所述的回波信号处理电路，其特征在于，所述低通滤波器用于将检波整形电路得到信号处理形成包络信号，再经整形处理为方波信号。

8.如权利要求7所述的回波信号处理电路，其特征在于，经检波整形电路得到方波信号经电平转换电路转换成幅度为3.3V的开关信号。

9.如权利要求1所述的回波信号处理电路，其特征在于，所述初级放大电路的增益为8dB，次级放大电路的增益为15dB，经两级处理后电路总增益为30dB。