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URL: https://epub.sub.uni-hamburg.de/epub/volltexte/campus/2015/40914/
Aufbau eines geregelten Verstärkers für Ultraschall
Schneider, Martin
| pdf-Format:
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| Dokument 1.pdf (8.096 KB)
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| Zugriffsbeschränkung: |
| nur innerhalb des Universitäts-Campus |
| SWD-Schlagwörter: |
| Verstärker , Ultraschall |
| DDC-Sachgruppe: |
| Technik |
| Dokumentart: |
| Monographie |
| ISBN: |
| 978-3-8428-2377-8 |
| Sprache: |
| Deutsch |
| Erstellungsjahr: |
| 2012 |
| Publikationsdatum: |
| 26.05.2015 |
| Kurzfassung auf Deutsch: |
| Einleitung: 1. Einleitung: 1.1 Hintergrund: In einem Experiment wird ein Ultraschallstrahl mit der Frequenz von 40 kHz quer durch den Raum geschickt und anschließend mit einem Ultraschallmikrofon wieder aufgenommen. Während der Strahl durch das Schallfeld einer Audioquelle mit der Frequenz von 1 kHz geleitet wird, wird er in der Luft mit dem hörbaren Schall (Audio) überlagert und dadurch moduliert. Ziel des Projekts ist es, den Ultraschallstrahl zu demodulieren um das Audiosignal zu erhalten. Die Idee entstand von Prof. Merkel in Rahmen der Entwicklung neuer Methode zur Schallerfassung und wurde von ihm in ein konkretes Projekt umgewandelt. Der Vorteil dieser Audiosignalerfassung durch Ultraschall oder dieser Art von ‘Virtuelle Mikrofone’ besteht darin, dass am Ort der Aufnahme keine Membrane oder Mikrofone notwendig sind. 1.2 Einsatzgebiet: Die Anwendung dieser Methode findet statt wenn die herkömmlichen Mikrofone stören oder schwierig zu installieren sind für Veranstaltungsräume und virtuelle Fernsprecheinrichtungen in Fahrzeugen. 1.3 Aufgabestellung: Als Ziel meiner Arbeit, soll das Mikrofonsignal herausgefiltert werden, und der Ultraschallstrahl verstärkt werden, durch die Reglung der Verstärkung wird immer ein bestmögliches Signal-Rauschverhältnis erreicht (SNR). Dazu gehört der Aufbau eines geregelten Verstärkers für Ultraschall. Es handelt sich dabei um einen PGA (Programmierbare Operationsverstärker) dessen Verstärkung mithilfe eines Mikrocontrollers eingestellt wird. 1.4 Systemüberblick: Die Abbildung zeigt das Blockschaltbild und gibt einen Überblick zur Zielstellung dieser Arbeit. Die Einstellung läuft in zwei Betriebe: Betrieb1: Die Verstärkung vom PGA wird über einen Drehimpulsgeber so eingestellt, dass das Audiosignal im Bereich von -95,5dB bis 31,5dB gedämpft bzw. verstärkt wird, auf das LCD erscheint der Effektivwert. Betrieb2: Der PGA wird so gestellt, dass der Effektivwert des Eingangssignals von 80% der höchsten Aussteuerung des TP nicht abweichen darf, das entspricht 7,07V. In Falle einer Abweichung wird das Signal über den PGA entsprechend gedämpft bzw. verstärkt. Eine LED warnt davor, wenn der Effektivwert zu hoch ist. Die Betriebe 1 und 2 sind über einen Schalter auszuwählen. Um die Frequenz für Ultraschallbereich zu begrenzen, wurden ein Hochpass am Eingang und ein Tiefpass am Ausgang der Schaltung eingebaut. Nach dem Aufbau und Erflog der Testphase, kann die gesamte Schaltung in geeignete Gehäuse eingebaut werden. 1.5 Aufbau der Arbeit: Die Arbeit teilt sich in 8 Kapitel. In dem ersten Kapitel wird die Aufgabestellung sowie Ziel der Arbeit erklärt. Anhand eines Blockschaltbildes wird ein Systemüberblick gegeben. Im 2.Kapitel wird das Prinzip der AD/Wandlung näher betrachtet und besser dargestellt. Im 3.Kapitel wird der Schaltungsentwurf in EAGLE dargestellt. Außerdem werden die ‘meistbenutzten Bauelementen beschrieben’. Im 4.Kapitel werden alle verwendeten Komponenten beschrieben, Funktionsweise, und Filterentwurf sowie Teilergebnisse werden dargestellt. Im 5.Kapitel wird die Programmierung des gesamten Systems erklärt, sowie Teilergebnis dargestellt. Im 6.Kapitel wird die gesamte Schaltung simuliert und gemessen. Die Ergebnisse werden durch Analyse des Rauschens auch besprochen. Im 7.Kapitel wird über die Fertigung der Platine besprochen. Die gesamte Schaltung wird getestet. Im 8. werden die Ergebnisse der Arbeit zusammengefasst. Möglichkeit für Verbesserung sowie Weiterentwicklung werden gegeben. Im 9.Kapitel wird eine Schlussbemerkung zu der Arbeit gemacht.Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis: Danksagung2 Erklärung3 1Einleitung6 1.1Hintergrund6 1.2Einsatzgebiet7 1.3Aufgabestellung7 1.4Systemüberblick7 1.5Aufbau der Arbeit8 2Grundlagen9 2.1Der Analog-Digital Wandler9 2.1.1Funktionsweise9 3Schaltungsaufbau11 4Hardware14 4.1Bestückungsliste14 4.2Hardwarebeschreibung15 4.2.1PGA231015 4.2.1.1Innenaufbau15 4.2.1.2Pin-Belegung16 4.2.1.3Eigenschaften18 4.2.2AD73619 4.2.2.1Innenaufbau19 4.2.2.2Pin-Belegung20 4.2.2.3Eigenschaften20 4.2.2.4Testaufbau21 4.2.3AD79722 4.2.3.1Eigenschaften von AD79722 4.2.3.2Filterentwurf22 4.2.3.2.1Pin-Belegung22 4.2.4Schaltregler24 4.2.5Schalter24 4.2.6LED24 4.2.7Der Drehimpulsgeber25 4.2.7.1Funktionsweise26 4.2.8Atmega827 4.2.8.1Der ADU29 4.2.8.1.1Die Eigenschaften vom ADU30 4.2.9LCD-Anzeige31 4.2.9.1PIN-Belegung33 4.2.10Programmiergerät33 5Software35 5.1PGA Ansteuerung mit der SPI Schnittstelle35 5.1.1Die Eigenschaften von SPI37 5.1.2Verlauf der SPI Programmierung für den PGA37 5.1.3SPI-Timing-Diagramm39 5.1.4Testaufbau39 5.1.5Flussdiagramm Modul ‘PGA’41 5.2Betrieb 142 5.2.1PGA-Ansteuerung mit dem Drehimpulsgeber42 5.2.1.1Programmierungsverfahren42 5.2.1.2Flussdiagramm: ‘PGA-Ansteuerung mit dem Drehimpulsgeber43 5.2.2ADU-Programmierung44 5.2.2.1Flussdiagramm46 5.2.3LCD-Programmierung47 5.2.3.1Ausgabe des ADC_WERTS48 5.2.3.2Die Effektivwert-Ausgabe49 5.2.3.3Flussdiagramm50 5.3Betrieb251 5.3.1Flussdiagramm52 6Simulation53 6.1Bandpass-Simulation53 6.2Sprungantwort55 7Fertigung56 7.1Testaufbau57 8Zusammenfassung und Ausblick59 8.1Ausblick59 9Schlussbemerkung61 10Abbildungsverzeichnis62 11Literaturverzeichnis64 12Anhang65Textprobe:Textprobe: Kapitel 5.2.3.1, Ausgabe des ADC_WERTS: Die Ausgabe eines Textes oder eines Wertes erfolgt mit der Funktion lcd_string() , dazu braucht man die entsprechende Funktion lcd_data(), diese Funktion hat fast die gleichen Eigenschaften wie die Funktion lcd_command() mit einem einzigen Unterschied: lcd_command(RS = 0) sendet Befehle und lcd_data() sendet Daten(RS = 1). Nun kann man einen Text ausgeben, allerdings um den ADC_WERT anzuzeigen muss man den in ASCII Wert umwandeln und danach mit der Funktion lcd_string() ausgeben. Die Umwandlung eines dezimalen Wertes in ASCII Code geschieht mittels der Funktion itoa(). Von dem Zahlenwert wird ein String erzeugt und mit der vorhandenen Funktion lcd_string() ausgegeben. Die itoa() Funktion ist nichts anderes als eine Reihe von Modulo Operationen und Zahlumwandlungen, das folgende Beispiel zeigt wie es geht: Nehmen wir an, wir wollen die Zahl 1021 in ein String umwandeln, dann muss für jede Stelle ein ASCII Code erzeugt werden .Das entspricht die ASCII Codes 0x31, 0x30, 0x32, 0x31 da der ASCII Code einer Zahl zwischen 0 und 9 immer aus 0x30 + Zahl besteht. Und um die einzelnen Ziffern zu bekommen, werden die folgenden Modulo Operationen durchgeführt: 1021 Modulo 10 = 1. 102 Modulo 10 = 2. 10 Modulo 10 = 0. 1 Modulo 10 = 1. Mithilfe eines Schleifenzählers entstehen die einzelnen Stellen in umgekehrter Reihenfolge. 5.2.3.2, Die Effektivwert-Ausgabe: Der Effektivwert rechnet sich somit: U = ADC_Wert * 5V/1024. Das entspricht in mV Bereich den Wert von: U = ADC_Wert*5000 /1024 //mV. U = ADC_Wert*4,8828125 //mV. 4,8828125 wird zweimal mit 10 multipliziert und auf 488 gerundet. U = ADC_WERT*500000*10/1024 // µV. U= ADC_WERT*4880 // µV Da der größte Messwert ergibt 1023*4880 = 4992240, muss das Ergebnis in einem 32-Bit Variable gespeichert werden, und kann jetzt durch die Funktionen lcd_string() und itoa() ausgegeben werden. Im Betrieb 2 wird der PGA automatisch durch die SPI ohne Drehimpulsgeber angesteuert: Der AD736 misst ständig den Effektivwert der Spannung am PGA-Ausgang, nach dem Aufruf der Modulen ADU() und LCD() wird der Effektivwert auf die LCD-Anzeige ausgegeben. Eine Konstante SOLLW = 7070000; (7,07V als Sollwert der Spannung am PGA) wird im Programm vom Atmega8 definiert, sie entspricht die 70% des Maximalwertes von 10V. Eine Variable ‘e’, die die Differenz zwischen dem in µV-Bereich angezeigten Effektivwert und der Konstante SOLLW bildet, wird auch definiert. In einer While-Schleife wird die Variable ‘e’ mit 0,1V und -0,1V verglichen: Für -0,1V > e > 0,1V ist die Verstärkung gleich 1 // entspricht N = 192 im Programm. Für e 0,1V Eine LED wird leuchten und Die Signalverstärkung am PGA muss dekrementiert werden // in dem die Variable N dekrementiert. Es wird ca. eine Sekunde gewartet, dann werden die Module ADU() und LCD-Anzeige() wieder aufgerufen um den neuen Effektivwert anzuzeigen. |
