Составление и расчет структурной схемы приемно-передающей части ультразвукового локатора зоны парковки

4. Составление и расчет структурной схемы.

          Для определения структурной схемы приемно-передающей части разрабатываемого прибора необходимо выполнить расчет акустического канала, в котором распространяется излучаемый и отраженный ультразвуковые сигналы. Такой расчет оказывается чрезвычайно сложным из-за необходимости учитывать множество различных параметров. Поэтому для упрощения расчетов параметров приемно-передающей части целесообразно воспользоваться экспериментальными данными для случая локации через воздушную среду представленными в (2). Здесь для расстояния прозвучивания 4 м. Рекомендуется принять коэффициент усиления приемника равным 1000, при уровне шумов 3¸5 мВ. И электрической мощности в излучающем датчике около 5 Вт. Воспользуемся этими величинами параметров приемника и передатчика для реализации разрабатываемого прибора.

          Частоту излучения выбираем из рекомендуемых оптимальных частот для воздуха (30¸60 кГц.) и резонансной частоты используемого датчика, а именно 60 кГц.

          Далее необходимо рассчитать требуемые длительности излучаемого импульса и время после звучания. Длительность излучаемого импульса  рекомендуется выбирать равной 5¸6 периодов рабочей частоты:

                    .

          Время после звучания можно определить по формуле:

                    ,

где      - величина напряжения зондирования,

  - величина    напряжения    минимально   различимого   эхо-сигнала, которое принимается равной 10 мВ., т.к. уровень шумов составляет 3¸5 мВ.,

 - добротность датчика.

          .

Длительность импульса запуска передатчика (ИЗП) примем равным:

 .

          Длительность бланка приемника , запирающего приемный канал прибора:

                    .

          Найдем “мертвую зону” прибора по формуле:

                    ,

где      - скорость звука в воздухе (здесь принята величина , что соответствует скорости звука, при   и нормальном давлении).

                     .

          Ширину полосы пропускания входных каскадов приемника необходимо выбирать из соотношения:

                    .

          При принятой точности измерения расстояния 5% до границы наименьшей зоны парковки (1,5 м.) точность измерения расстояния должна составлять:

                    .

          При звуковой локации задержка в  эквивалентна расстоянию  , если скорость звука принять равной . Поэтому для получения счетных интервалов  необходимо иметь частоту счетных импульсов при цифровом способе измерения дальности равной:

                    ,

где      - элементарный отрезок шкалы дальности;

           - требуемая точность измерения расстояния;

           - элементарная задержка отраженного сигнала.

          Выполненные расчеты и принятые выше параметры приемно-передающей части позволяют перейти к разработке структурной схемы проектируемого прибора.

          Проектируемый прибор состоит из следующих функциональных блоков:

-  блока синхронизации;

-  блока передатчика;

-  блока приемника;

-  блока измерения;

-  блока индикации.

Разрабатываемое устройство работает следующим образом.

Блок синхронизации вырабатывает сигналы необходимые для обеспечения работы блоков устройства и синхронизации их во времени. Задающий генератор (ЗГ) вырабатывает синусоидальное колебание с частотой , которое преобразуется триггером Шмидта (ТШ 1) в прямоугольные импульсы. Частота этих импульсов понижается в 10 раз делителем частоты (ДЧ 1) до величины частоты излучения . Далее частота излучения понижается делителем частоты (ДЧ 2) до частоты повторения . Этот сигнал последовательно проходит через формирователи импульсов (ФИ 1 и ФИ 2). На выходе ФИ 1 формируется импульс бланка приемника, на выходе ФИ 2 импульс запуска передатчика (ИЗП).

Последовательность импульсов с частотой  и ИЗП поступают на коммутатор (К 1), на выходе которого формируется пачка импульсов поступающих на вход передатчика.

Блок передатчика обеспечивает усиление сигналов до необходимой мощности и передачу их на приемно-излучающий датчик (ПИД) для излучения в воздушную среду.

Фазоинверсный каскад (ФК) вырабатывает сигналы управления  для   возбуждения   двухтактного   усилителя   мощности (УМ). Согласующее устройство (СУ) служит для согласования выходного сопротивления транзисторов усилителя мощности с собственным сопротивлением приемно-излучающего датчика. Между выходом передающего блока и ПИД включен коммутатор приема-передачи (КПП) обеспечивающий развязку приемной и передающей частей устройства.

Принятый датчиком отраженный сигнал через КПП поступает на входной усилитель (ВУ) блока приемника, осуществляющего предварительное усиление. Далее сигнал подается на регулируемый усилитель (РУ). Коэффициент усиления РУ управляется схемой временной автоматической регулировкой усиления (ВАРУ). Во время излучающего импульса бланк приемника, поступающий на схему ВАРУ запирает РУ на время излучения и послезвучания датчика. По окончании бланка под воздействием сигнала ВАРУ усиление РУ будет постепенно увеличиваться во времени в соответствии с изменением задержки отраженного эхо-сигнала. Выходной сигнал РУ детектируется амплитудным детектором (АД) и поступает на пороговое устройство (ПУ), где сравнивается с напряжением порога. При превышении сигналом порогового уровня на выходе приемного блока формируется прямоугольный импульс, задержка переднего фронта которого относительно переднего фронта ИЗП соответствует расстоянию от датчика до автомобиля.

Блок измерения включает в себя кварцевый автогенератор (КАГ) работающий на частоте , которое преобразуется триггером Шмидта (ТШ 2) в прямоугольные импульсы. Частота этих импульсов понижается в 45 раз делителем частоты (ДЧ 3) до величины частоты счетных импульсов . Число счетных импульсов в зонах составит:

1 зона:         ,

2 зона:         ,

3 зона:         .

Счетные импульсы поступают на измерительный счетчик (ИС) обнуляемый ИЗП и подсчитывающий количество интервалов до прихода сигнала с приемника. Со счетчиком связаны три схемы совпадения (СС 1, СС 2 и СС 3) которые срабатывают при состоянии счетчика 53, 33 и 20, что соответствует 1, 2 и 3 зонам. К выходам схем совпадения подключены три RS – триггера фиксирующие уровни заполнения счетными импульсами полной шкалы дальности. К выходам RS – триггеров подключены три схемы “И”. На эти схемы  также поступает импульс с приемного устройства зафиксированный триггером (Т 4). На выходе указанных схем “И” получаются по существу сигналы управления индикаторами первой, второй и третьей зон. Включение индикаторов соответствует появлению сигнала логической “1” на выходе схем “И”. Через схему  “ИЛИ-НЕ” сигналы управления поступают на схему “И” стоящую перед счетчиком (С) в результате чего при появлении какого либо сигнала счет останавливался. Управляющие сигналы передаются в блок индикации который конструктивно смонтирован в отдельном корпусе. Поскольку в приборе использованы люминесцентные индикаторы отличающееся высокой яркостью свечения и малым потреблением тока питание этих индикаторов обеспечивается от генератора прямоугольных импульсов с рабочей частотой  импульсы которого поступают на управляющие каскады (УК) осуществляющие преобразование амплитуды этих импульсов до величины необходимой для возбуждения индикаторов. Напряжение генератора на управляющие каскады поступает через коммутаторы (К). Включение коммутаторов осуществляется управляющим сигналом. Таким образом при постепенном заезде автомобиля на место парковки, при появлении его в зоне 1 включится индикатор (И 1) зеленого цвета, п при перемещении автомобиля во 2 зону и далее в 3 зону, зеленый индикатор гаснет, загорается желтый а затем красный, свидетельствующий о необходимости остановиться.