Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 1.4 Schaltungsentwicklung 2 1 1.5.2 Ultraschall- Abstandsmessung Ultraschall-

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 1.4 Schaltungsentwicklung 2 1 1.5.2 Ultraschall- Abstandsmessung Ultraschall-"—  Präsentation transkript:

1 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 1.4 Schaltungsentwicklung Ultraschall- Abstandsmessung Ultraschall- Abstandsmessung ist auch als Echolot oder Sonar bekannt. Prinzip: Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen ist von der Temperatur des Ausbreitungsmediums abhängig. Luft: = 0°C v = 331,5 ms -1 = 15°C v = 340 ms -1 Glas: v > 5500 ms -1 Wasser: v 1460 ms -1 Echolot für Wassertiefen bis 500 m benötigt eine Impulsleistung von 500 W bis 2,4 kW. Der zu entwickelnde Ultraschallsensor hat eine Impulsfrequenz von 66 Hz. Die Frequenz der Impulsschwingungen beträgt 40 kHz. Ein Ultraschallsender strahlt akustische Impulse aus. S Ein Hindernis reflektiert einen Teil der Impulse. E Ein Empfänger nimmt die Reflektierten Wellen auf. AE Die Auswerteelektronik (AE) steuert den Prozess und berechnet aus der Laufzeit der Impulse den Abstand zum Hindernis. Die Kompensation von Dopplereffekten bei hohen Geschwindigkeiten werden vernachlässigt.

2 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 1.4 Schaltungsentwicklung 2 2 Entwicklung des Blockschaltbildes Kompa- rator Zähler Reset CLK Q 4 Q 3 Q 2 Q 1 A 4 A 3 A 2 A 1 Decoder Q 9 Q 8 Q 7 Q 6 Q 5 Q 4 Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 Speicher Q 4 Q 3 Q 2 Q 1 CLK D 4 D 3 D 2 D 1 & IC1 Reset Oszillator 500 kHz Binärteiler Q 14 Q 8 Q 7 Q 6 Q 5 Takt- generator Oszillator 40 kHz US - Oszillator Impuls- verstärker US-Lautsprecher US-Mikrofon Impuls- verstärker S T Q R Q RS-FF MP1 & Die Stromversorgung der einzelnen Baugruppen wurde nicht mit dargestellt. Zum Schaltplan:

3 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 1.4 Schaltungsentwicklung 2 3 Speicher Q 4 Q 3 Q 2 Q 1 CLK D 4 D 3 D 2 D 1 Zwischenspeicherung des Zählerstandes Der Zählerstand wird periodisch in den Speicher eingeschrieben. Die Übernahme der Daten erfolgt durch einen Impuls am CLK-Eingang. Diesen Impuls liefert Q des FFs dann, wenn der Laufzeitimpuls das FF zurücksetzt. D.h., dass nach jeder einzelnen Messung der Zählerstand neu in den Speicher eingeschrieben wird. zurück Decodieren des BCD - Codes A 4 A 3 A 2 A 1 Decoder Q 9 Q 8 Q 7 Q 6 Q 5 Q 4 Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 Im Decoder erfolgt die BCD – Dezimal – Decodierung. Die 10 Ausgänge werden mit LEDs beschaltet. zurück

4 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 1.4 Schaltungsentwicklung 2 4 Dimensionierung des Zählers Zähler Reset CLK CI Q 4 Q 2 Q 2 Q 1 Mit dem Zähler wird die Laufzeit t L ausgewertet. Die Entfernung des Gegenstandes wird in 10 Stufen angezeigt, d.h. sie wird mit 10 LEDs abgebildet. Damit ist ein binärer 4-Bit-Zähler ausreichend. Mit dem Startimpuls wird der Zähler zurückgesetzt. Vom Oszillator gelangen vom Ausgang Q 5 die Zählimpulse in den CLK-Eingang des Zählers. Q 5 des Oszillators liefert Zählimpulse mit der Frequenz 15,635 kHz und einer Periodendauer von 0,064 ms. Der Zählerstand hat bei 9 seinen Endstand erreicht. Das entspricht der maximalen Reichweite s. Dieser Wert gilt für den Hin- und Rücklauf des Signals. Die maximale Entfernung des Gegenstandes liegt dann bei ca. 10,575 cm. Der Fehler der Messung liegt bei etwa 5%. Die Schrittweite der Messung beträgt dann ca. 1 cm. Legt man Q 6 des Oszillators auf den Eingang des Zählers, erhält man die doppelte Entfernung, weil die Frequenz halbiert und die Periodendauer verdoppelt wurde. Der Messbereich ist dann 20 cm. Für die Oszillatorausgänge Q 7 und Q 8 verdoppelt sich die Reichweite jedes mal in gleicher Weise, also auf 40 bzw. 80 cm. Der Zählumfang des Zählers wird mit einem UND-Glied auf 10 festgelegt. Es setzt den Zähler bei Erreichen der 9 auf 0 zurück. & zurück

5 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 1.4 Schaltungsentwicklung 2 5 Zusammenhang zwischen der Speicherzeit des FF und der Laufzeit des US-Signals S T Q R Q RS-FF MP1 Setzimpuls Zeitgleich mit dem Aussenden des US-Impulses wird das FF gesetzt. t S R Q Das Echo des US-Impulses setzt das FF zurück. Rücksetz- impuls Usw., usf. tLtL tLtL Die an MP1 messbare Zeit t L ist die Laufzeit des US- Impulses für den Hin- und Rücklauf. Sie ist der Entfernung des Gegenstandes proportional. Für einen Gegenstand, der 0,2 m entfernt steht, lässt sich die Laufzeit wie folgt berechnen. v = 340 ms -1 s = 2 ·0,2 m = 0,4 m Beispiel: Die weitere Aufgabe besteht darin, die Laufzeit so auszuwerten, dass sie angezeigt werden kann. zurück

6 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 1.4 Schaltungsentwicklung 2 6 & & Q Q S R RS - Flipflop Die Funktion des RS-FF besteht darin, die Zeit zwischen der Ausstrahlung des Impulses und dem Empfang der Reflektion festzuhalten. Impuls von Q 14 (0,25 ms) Q geht in den H – Zustand über. Nach der Laufzeit t L des US- Impulses vom Lautsprecher zum Hindernis und dem Echo vom Hindernis zum Mikrofon gelangt der Impuls vom Komparator an R und setzt das FF zurück. Die gesetzte Zeit des FF ist der Laufzeit des Impulses und damit der Strecke proportional. Dieser Vorgang wiederholt sich aller 16 ms, also mit einer Frequenz von etwa 62 Hz. zurück

7 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 1.4 Schaltungsentwicklung k 180k 10p n 10k 33k 10n 10p -+-+ US-Mikrofon-Impulsverstärker Die 10p – Kondensatoren begrenzen die obere Grenzfrequenz der Verstärker. 100n 47k 220 Komparator 10 Der Spannungsteiler 47k, 220, 47k legt die Arbeitspunkte für die OPs fest. Die nach Masse geschalteten Kondensatoren sind Siebkondensatoren. Der Komparator schaltet seinen Ausgang beim 1. verstärkten 40 kHz- Impuls nach H um. Die OPs arbeiten im invertierten Betrieb. zurück Ein OP ohne Rückkopplung wirkt wegen seiner hohen Verstärkung als Komparator. Im Ruhezustand liegt der Ausgang des Komparators auf L. zurück

8 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 1.4 Schaltungsentwicklung 2 8 && C1C1 C2C2 R1R1 R2R2 G1G1 G2G2 uaua Für die Frequenz f der Ausgangsspannung U a gilt: US – Oszillator: f = 40 kHz zurück Es wird ein Kondensator mit C = 1 nF ausgewählt. Das Tastverhältnis der Impulse soll 1 : 1 sein.

9 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 1.4 Schaltungsentwicklung 2 9 IC1: CMOS stufiger Binärzähler mit internem OszillatorDie Oszillatorfrequenz ist auf f = 500 kHz festgelegt. Die Frequenz f = 500 kHz wird heruntergeteilt und liegt an den Ausgängen Q 1 bis Q 14 an. & Q 14 besitzt den Teilerfaktor 2 14 = Die Frequenz f an Q 14 beträgt: Für die Periodendauer T gilt somit: Die Periodendauer beträgt 0,51 ms. Der Impuls hat dann eine Länge von etwa 0,25 ms. Damit ergibt sich beim Tastverhältnis 1:1 eine Impulsdauer von etwa 16 ms. Ein UND-Glied realisiert, dass bei H an Q 14 und an Q 8 Zähler auf 0 gesetzt wird. Das Impulsdiagramm von Q 14 zeigt den Verlauf der Spannung. t U Q14 ca. 16 ms 0,25 ms Oszillator 500 kHz Binärteiler Q 14 Q 8 Q 7 Q 6 Q 5 Reset Der Ausgang Q 8 liefert Impulse mit f = 1,953 kHz. Funktion: Taktgenerator für den Arbeitsrhythmus des Ultraschall-Abstandsmessers Danach dauert es ca. 16 ms, bis Q 14 wieder für 0,25 ms H-Pegel führt, Berechnung der Frequenzen zurück

10 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 1.4 Schaltungsentwicklung 2 10 CD 4060 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 Q 6 Q 7 Q 8 Q 9 Q 10 Q 11 Q 12 Q 13 Q 14 FYO FY1 FYO RESET Potenzen, durch die die Oszillatorfre- quenz geteilt werden muss Teiler Frequenzen an den Ausgängen in kHz ,5 31,25 15,635 7,813 3,906 1,953 0,977 0,488 0,244 0,122 0,061 0, Dezimalstelle gerundet 500 kHz 10 M 22 k 22 p Oszillator Periodendauer in ms 32 0,51 zurück

11 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 1.4 Schaltungsentwicklung 2 11


Herunterladen ppt "WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 1.4 Schaltungsentwicklung 2 1 1.5.2 Ultraschall- Abstandsmessung Ultraschall-"

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen