Versterker Ultrasonic Receiver

Beste lezers,

Onlangs ben ik een project gestart met als idee om indoor positie te bepalen doormiddel van ultrasonische transmitters en receiver. Momenteel loop ik compleet vast op het versterken van mijn signaal aan de receiver kant.

Het signaal wat de US receiver ontvangt is een sinusoide met een periode van 25 microseconden (40kHz) en een amplitude variende tussende 0 en 1 volt (afhankelijk van hoe dichtbij de transmitter staat). Mijn doel is om een versterker te realiseren die een output levert van 3.3 V als er een signaal is en 0 V als er geen 40 kHz signaal is. Ik heb het volgende geprobeerd in TINA, dit gaf mij het volgende (in de grafiek is groen de input signal en rood de output):

https://i.ibb.co/Dg8qgcY/rsz-1tinaamplifier1.png

Ik kreeg het in mijn model in TINA niet voor elkaar om de 3.3 Volt te bereiken.

Het leek mij toen beter om het maar te proberen in een echt circuit. Toen ik dat deed begreep ik niks van de resultaten. Dit is mijn circuit (de amplifier in dit circuit is: LF357 van Texas Instruments. Datasheet: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lf356.pdf):

https://i.ibb.co/D1XNz4F/circuitreal.png

En dit is het resultaat. Zodra ik een 40kHz transmitter op de receiver richt, loopt de oscilloscoop vast.

https://i.ibb.co/zr8gdDn/osci.png

Mijn uiteindelijke doel is om een circuit te maken die dit sinus signaal (met amplitude tussen 0 en 1 Volt) om te zetten in een constant signaal van 3.3 V (zoals bijna is bereikt in de simulatie in TINA). Als er geen sinus signaal is zou de output 0 V moeten zijn. Zou iemand mij op weg kunnen helpen?

Groeten, Erwin

High met Henk

Special Member

Waar staat je tijdbasis op?

ik vermoed nl dat je gewoon 50 Hz noise meet.

.1 je gebruikt geen afgeschermde kabel / probe
.2 je hebt mega grote current loops

Tl verlichting doet al heel veel....

to all newbies: RTFM/D of google eens (p.s. RTFM/D = Read the f*cking manual/datasheet).

Wat doet die weerstand in de V+ van de opamp ?

Houd het common-mode ingangsbereik en uitgangsbereik van de toegepaste opamp goed in de gaten. Op een enkele voeding zul je een Uref moeten maken op b.v. de halve voedingsspanning. 12V vinden veel microcontrollers niet fijn..

Als je enkel de tijd in formatie wilt gebruiken, en niet de amplitude informatie, zou ik na de voorversterker een comparator met een klein beetje hysteresis laten volgen.
Dan houd je blokgolven over. Waarschijnlijk is ergens daartussen een piets filteren ook geen slecht idee, maar dat beïnvloed wel de looptijd.

[Bericht gewijzigd door Aart op 17 mei 2019 11:52:53 (17%)]

Op 17 mei 2019 11:41:20 schreef High met Henk:
Waar staat je tijdbasis op?

ik vermoed nl dat je gewoon 50 Hz noise meet.

.1 je gebruikt geen afgeschermde kabel / probe
.2 je hebt mega grote current loops

Tl verlichting doet al heel veel....

100 nanoseconde per blok op de x-as. Ik gebruik volgens mij geen afgeschermde kabels. Hieronder een foto van eventuele cruciale kabel punt (lijkt mij).

https://i.imgur.com/nSeSqyV.png

Hoe zou ik kunnen verifieren dat het een grote current loop is?

Met de TL verlichting uit kwam ik op het zelfde resultaat. Hoe zou ik kunnen testen of de mogelijk niet afgeschermde kabels het probleem zijn?

Ook loopt de oscilloscoop vast zodra ik het circuit opstart, nadat ik de GND van de circuit naar de oscilloscoop erout en erin doe krijg ik het resultaat in de eerder gegeven foto van de oscilloscoop.

Waarom gebruik je de massa van de scoop zelf, en niet die van de betreffende ingang?

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - www.arcovox.com

waarom staat er een weerstand in serie met de voeding van de opamp?

Over het algemeen is dat geen goed idee, of wil je daarmee iets speciaals bereiken?
enig idee van de uitgaansweerstand van je receiver? dekoppeing tussen + en - van de opamp via de 12K gaat enkel tot versterking overgaan als de receiver wat stroom kan sturen..

[Bericht gewijzigd door kris van damme op 17 mei 2019 12:41:44 (23%)]

Gebruik een comparator i.p.v. een opamp.
Zoek bij Texas Instruments op bijvoorbeeld LM311.

Verder ontkoppelcondensatoren en afgeschermde kabels gebruiken.

Op 17 mei 2019 11:50:46 schreef Aart:
Wat doet die weerstand in de V+ van de opamp ?

Ik meende uit theorie dat de ratio tussen deze weerstand en de weerstand tussen V- van de opamp en Vout de hoogte van de amplitude zouden zijn. Dus Amplitude = RF/RI (RF en RI van TINA model, zie plaatje eerste post).

Op 17 mei 2019 11:50:46 schreef Aart:
Houd het common-mode ingangsbereik en uitgangsbereik van de toegepaste opamp goed in de gaten. Op een enkele voeding zul je een Uref moeten maken op b.v. de halve voedingsspanning. 12V vinden veel microcontrollers niet fijn..

Dit vind ik vrij lastig om te begrijpen. Ik meende dat de voeding van de op amp niet zoveel uitmaakt omdat je de versterking toch zo zou kunnen aanpassen door de hand van weerstanden.

Op 17 mei 2019 11:50:46 schreef Aart:
Als je enkel de tijd in formatie wilt gebruiken, en niet de amplitude informatie, zou ik na de voorversterker een comparator met een klein beetje hysteresis laten volgen.
Dan houd je blokgolven over. Waarschijnlijk is ergens daartussen een piets filteren ook geen slecht idee, maar dat beïnvloed wel de looptijd.

Het idee is om 10 pulsen te sturen vanaf de ultrasonic transmitter. De receiver zou nog wel is een paar van deze pulsen kunnen missen. Ik denk dat ik de amplitude wel nodig ben om mijn signaal te kunnen detecteren in software. Voor nu is het plan om dit in een Nucleo STM32F411 te doen.

Ik zou daarvoor een complete unit nemen, kost iets van 3 euro... https://www.seeedstudio.com/Grove-Ultrasonic-Ranger-p-960.html

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - www.arcovox.com

Op 17 mei 2019 12:37:40 schreef Arco:
Waarom gebruik je de massa van de scoop zelf, en niet die van de betreffende ingang?

Dit is inderdaad een goede. Geen idee waarom ik dit heb gedaan maar heb nu de GND van de 12 V source gebruikt en krijg nu dit resultaat:

https://i.imgur.com/961fSYn.png

Volgens mij is het alleen noise wat ik hier meet.
Alleen ontvang ik helemaal geen signaal zodra ik een 40kHz signaal op de receiver 'schiet'.

Op 17 mei 2019 12:49:51 schreef Arco:
Ik zou daarvoor een complete unit nemen, kost iets van 3 euro... https://www.seeedstudio.com/Grove-Ultrasonic-Ranger-p-960.html

De bedoeling is dat de transmitter en receiver niet op de zelfde plek zijn (Receiver moet ooit in de toekomst op een robot). Daarnaast zijn er nog een aantal restricties waardoor het op de manier moet.

Trouwens, allemaal bedankt voor de goede en snelle reacties!

Zender en ontvanger op verschillende plaatsen is ongebruikelijk.
Het maakt meten lastig, omdat je op de een of andere manier moet synchroniseren tussen zender en ontvanger...
(als beiden bij elkaar zitten is dat automatisch al in orde...)

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - www.arcovox.com

Kijk eens of je nog ergens een NE567 kan vinden. Een IC, zit alles in, versterker, tone-decoder, logic uitgang.

Zolang het probleem niet duidelijk is, is het zinloos om naar een oplossing te zoeken.

Wat wil je nu eigenlijk maken, een sonar?

"We cannot solve our problems with the same thinking we used when we created them" - Albert Einstein

Op 17 mei 2019 13:12:44 schreef Arco:
Zender en ontvanger op verschillende plaatsen is ongebruikelijk.
Het maakt meten lastig, omdat je op de een of andere manier moet synchroniseren tussen zender en ontvanger...
(als beiden bij elkaar zitten is dat automatisch al in orde...)

Synchronisatie zal worden gedaan doormiddel van RF en software.

Op 17 mei 2019 13:58:10 schreef flipflop:
Wat wil je nu eigenlijk maken, een sonar?

Met dit circuit wil ik een inkomend signaal omzetten naar 3.3 Volt die niet al te veel noise door laat. Gevisualizeerd in het plaatje:

https://i.imgur.com/tSmExYU.png

Ha Nieuwlaar,

Aan een kant en klare heb je niets dat zal niet mogen of..... je zit toch in het schoolvragen topic :S
Maar goed ik begrijp in ieder geval wat je wil bereiken en geloof me dat is al 10 punten waard :P

Ik ga op jou informatie en de gegevens af je Opamp is niet goed aangesloten kijk hier eerst naar de weerstand in de voeding weg indien je wil balanceren gebruik je pin 1 en 5.
Kan je de versterking uitrekenen ? .
En altijd ontkoppel condensatoren gebruiken van de voedingsrails naar de common (massa).
Let er op de ingang van deze Opamp is een JFET dus hoogΩ pakt snel van alles en nog wat op.

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Bedankt allemaal voor jullie reactie. Het is me uiteindelijk gelukt om een versterker bij de zender en de ontvangende kant te maken. Het bleek dat mijn circuit schema niet correct was.

Dan resteert mij nog een vraag, wat vinden jullie het beste electronics boek en waar zou ik zo een goedkoop op de kop tikken?

Ik gebruik nu The Art of Electronics by Paul Horowitz 2nd edition. Deze hebben we op school, maar zou graag zelf zo'n soort boek willen hebben. Echter kost dit boek helaas circa 70 euro. Iemand tips?

Als je het nu werkend hebt, dan zou het wel zo netjes zijn om ook te laten weten hoe je dat dan wel aan boord hebt gelegd. Wat is nu het schema?

hoe beter de vraag geschreven, zoveel te meer kans op goed antwoord

Troubleshooting Analog Circuits door R. Pease

Dit is het schema:

https://i.imgur.com/zzNnfig.png

Ik heb nog een theoretische vraag, mijn leraar zei dat je de beste overdracht van signaal hebt als de impedance van de receiver (30 kOhm) en R1 van de amplifier gelijk zijn. Kan iemand mij helpen waar ik dit kan lezen en wat de exacte regels hiervan zijn?

Bedankt voor het schema, of beter gezegd "bedankt voor de inspanningen" want je hebt dan wel je best gedaan maar er zijn aan dat schema nogal wat verbeteringen mogelijk :)
Als je nu al eens begon met de massa onderaan te tekenen, bv.

V.w.b. de impedantie: dat is in alle theorie inderdaad het geval. Het gaat erom dat, ALS er aan de "zendende" zijde slechts een beperkt vermogen beschikbaar is, dat kleine vermogen optimaal te doen opnemen aan de ontvangende zijde. Dat is bv. een aandachtspunt voor microfooningangen van mengtafels en zo. Bij hoogfrekwent is optimale afstemming van de impedanties ook heel erg belangrijk, naar ik begrijp. Het lijkt me dat er in dit geval geen gebrek is aan vermogen; waarmee de opmerking wel terecht is, algemeen sprekende, maar in dit concrete geval weinig relevant.

Mag ik tenslotte voorzichtig suggereren dat je je aan één taal houdt, en niet gaat mengen als het niet nodig is? Vervang "impedance" door het Nederlands "impedantie" en "amplifier" door "versterker", en de tekst wordt, toch al minstens voor mij, al heel wat leesbaarder. En dat wil je toch?

hoe beter de vraag geschreven, zoveel te meer kans op goed antwoord

Heel erg bedankt voor de informatie!

In de datasheet van de ultrasonische ontvanger staat dat het een impedantie heeft van ongeveer 30 kOhm. Ik heb het volgende geprobeerd om dit te meten:
- Met een weerstandsmeter (weerstand lijkt oneindig hoog te zijn)
- Een parallelschakeling met de ontvanger en variabele weerstand om vervolgens de variabele weerstand zo aan te passen totdat de stroomsterkte van de weerstand en ontvanger gelijk aan elkaar zijn. Zodat ik vervolgens de weerstand kan meten met mijn weerstandsmeter.
- Een serieschakeling met de ontvanger en variabele weerstand om vervolgens de variabele weerstand zo aan te passen totdat de spanning van de weerstand en ontvanger gelijk aan elkaar zijn. Zodat ik vervolgens de weerstand kan meten met mijn weerstandsmeter.

Dit alles leverde geen resultaten op. Is er een andere methode om de impedantie van de ultrasonische ontvanger te meten?

De normale metode is als volgt:
(met excuus dat ik er zo gelijk geen tekening bij heb)
* je hebt een signaalbron nodig die de betreffende frekwentie kan opwekken
* ook nodig een meetapparaat voor de betreffende spanningen en frekwenties, met hoge meetimpedantie; RMS is niet vereist. We hebben het hier over 30 of 40 kHz, pakweg, dacht ik? Dan lijkt een huis- en tuinmultimeter nog wel bruikbaar.
* tenslotte nog nodig een regelbare weerstand, dat kan een simpele potentiometer zijn

Verbind de massa van de signaalbron aan de massa van de te meten ingangsimpedantie, en verbind de "hete" kant van de signaalbron met de ingang van de te meten schakeling, onder serieschakeling van de potentiometer;
regel dan de potentiometer totdat de wisselspanning aan de ingang de helft is van de uitgangsspanning van de signaalbron. Koppel dan alles af en meet op welke weerstandwaarde de potentiometer nu is afgesteld: dit getal is de ingangsimpedantie, op de meetfouten na.

Voorbeeld: de signaalbron geeft 2,2 V~ effectief, regel de potmeter tot er 1,1 V~ overblijft. Nu staat er dus evenveel spanning over de potmeter als over de onbekende ingangsimpedantie, dus deze zijn gelijk. Alles afkoppelen, multimeter in stand "ohmmeting" over de potmeter, en daar is het gezochte resultaat. Verwacht weliswaar geen denderende nauwkeurigheid, 5% lijkt mij al heel wat! Maar daar komt het in de regel ook niet op aan.

[[later toegevoegd: dit komt toch maar overeen met uw derde meetmetode? "leverde geen resultaat op" is wel een beetje vaag, wat ging er nu eigenlijk verkeerd?]]

En bovenal: ik denk niet dat het hier echt op aan komt, je zou wel eens in de verkeerde hoek kunnen zoeken. Optimalisatie van de impedanties is belangrijk om zoveel mogelijk uitgezonden enrgie over te houden maar in dit geval moet er nmbm meer dan voldoende worden uitgezonden, zelfs slechte impedantieaanpassing zou niet echt een punt mogen zijn.

hoe beter de vraag geschreven, zoveel te meer kans op goed antwoord

Dit is inderdaad de uitgebreide versie van wat ik heb geprobeerd. Zodra ik de voltmeter over de variabele weerstand zet krijg ik een voltage van 0. Zodra ik de voltmeter over de ontvanger zet krijg ik ook een voltage van 0. Zodra ik de voltmeter over beide componenten zet meet ik de input voltage (1 volt).

Ha Nieuwlaar,

Ik kan je tekening nog niet helemaal volgen :? met name de condensatoren in de voeding.
Ik heb je schemaatje even voor de duidelijkheid opnieuw getekend.

Ultrasound ontvanger

Uiteraard is dit maar een sugestie de gevoeligheid is voldoende voor een SPL (sound pressure level) van -70dB 0dB = 1Volt/µbar.
Ik heb aan de ingang een klein filtertje, en omdat ik gebruik maak van een voedingsrails de niet inverterende ingang op Vdd/2 gelegd.
Vragen staat vrij :D

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.