超聲波頻率鍵控調制及幅值鍵控調制技術研究

0超聲波定位技術通信技術在廣播行業得到了廣泛應用，技術非常成熟。能否將超聲波作為載波,對其進行FSK、ASK調制發射,進而將該技術應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,針對應用廣泛的收發分體式超聲波傳感器T40-16、R40-16,本文設計并實現了超聲波調制發射與解調接收電路,進行了超聲波的FSK及ASK調制特性實驗,并得到了定性結論。1fsk和ask配置原理1.1“0”狀態調制信號為按一定頻率變化的數字信號,有“1”和“0”2種狀態。載波在調制信號調制作用下,以對應頻率f1和f2向外傳播,這就是應用于通信中的頻率鍵控調制(FSK)技術,調制原理如圖1所示。1.2幅值鍵控調制技術調制信號為按一定頻率變化的數字信號,有“1”和“0”2種狀態,載波在調制信號調制作用下,以對應頻率f和0向外傳播,這就是應用于無線電通信中的幅值鍵控調制(ASK)技術,調制原理如圖2所示。2電路的設計和實現2.1發射模塊組成電路主要由發射模塊和接收模塊2部分構成。方波發生電路、FSK調制電路、功率放大電路和超聲波發射傳感器組成發射模塊;超聲波接收傳感器、一級前置運算放大電路和二級前置運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超聲波發射傳感器op27發射模塊電路中,分頻器CD4060產生頻率可調的脈沖,作為鎖相環XR-2206的輸入信號。鎖相環XR-2206內部的壓控振蕩器VCO產生頻率可調的正弦信號,由脈沖信號調制,經OP27組成的功率放大電路放大后作為激勵信號,驅動超聲波發射傳感器向外發射超聲波。發射模塊電路如圖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換為微弱的電信號,再由2個OP27構成前置運算放大電路進行濾波、放大處理后輸出到示波器進行觀察分析。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發射模塊設計電路主要由發射模塊和接收模塊2部分構成。占空比可調多諧振蕩器電路、ASK調制電路、功率放大電路和超聲波發射傳感器組成發射模塊;超聲波接收傳感器、一級前置運算放大電路和二級前置運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組調度電路發射模塊包含占空比可調多諧振蕩電路、ASK調制電路、功率放大電路和超聲波發射傳感器。分頻器CD4060和單穩態觸發器CD4098構成占空比可調多諧振蕩電路;ASK調制電路主要由鎖相環XR-2206組成。在此將XR-2206的端子8懸空,使得當輸入的調制信號為“0”時,輸出信號頻率為0。單穩態觸發器CD4098內含2組功能完全相同的單元,電路中只用了第一組單穩態觸發電路,上升沿觸發。通過調節單穩態觸發器端子1、2之間的跨接電容Cx和端子2的外接電阻Rx,可以調節CD4060輸出方波信號的占空比,發射模塊電路如圖7所示。2.2.2ask接收模塊的電路設計接收模塊電路與FSK接收模塊電路相同,如圖5所示。3超聲波發射傳感器測試在實驗室,制作了電路板,并且結合給定的超聲波傳感器(T40-16及R40-16)進行了FSK調制特性實驗。通過設置鎖相環XR-2206相關參數,調整激勵正弦信號的頻率,用一定的偽碼數字信號進行調制,驅動超聲波發射傳感器向外發射超聲波。在接收端對接收到的信號進行記錄及分析,圖8給出了3種不同頻率正弦信號驅動下接收超聲波信號曲線。分析實驗曲線,可得到以下結論:(1)驗證了驅動信號頻率為超聲波傳感器中心頻率時,超聲波有效發射距離最大;(2)可以對超聲波進行鍵控頻率調制發射,帶寬BW-5kHz;即對給定中心頻率為f0=40kHz的超聲波傳感器,驅動信號頻率在35～45kHz范圍內,進行鍵控頻率調制發射的效果較好;(3)最佳調制發射頻率為f1=42kHz,f2=38kHz。4測量超聲波發射傳感器對被用戶“余振”現象的影響進行ASK調制特性實驗,當調制信號為高電平“1”時,調制電路產生f=40kHz的正弦激勵信號,驅動超聲波發射傳感器向外發射超聲波;調制信號為低電平“0”時,調制電路不產生激勵信號,超聲波發射傳感器停止向外發射超聲波。另外,還可以通過調節調制信號的占空比,觀察占空比變化對超聲波“余振”現象的影響。圖9給出了部分實驗曲線,通過分析,可以得到以下結論:(1)可以對超聲波信號進行ASK調制發射,但存在“余振”現象;(2)可以通過改變調制信號的占空比,在一定程度上可以減弱“余振”幅度和持續時間。5k調制發射、接收超聲波信號可以作為載波,進