Aufbau eines geregelten Verstärkers für Ultraschall

Diplomarbeit von Martin Schneider

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:
	Danksagung	2
	Erklärung	3
1	Einleitung	6
1.1	Hintergrund	6
1.2	Einsatzgebiet	7
1.3	Aufgabestellung	7
1.4	Systemüberblick	7
1.5	Aufbau der Arbeit	8
2	Grundlagen	9
2.1	Der Analog-Digital Wandler	9
2.1.1	Funktionsweise	9
3	Schaltungsaufbau	11
4	Hardware	14
4.1	Bestückungsliste	14
4.2	Hardwarebeschreibung	15
4.2.1	PGA2310	15
4.2.1.1	Innenaufbau	15
4.2.1.2	Pin-Belegung	16
4.2.1.3	Eigenschaften	18
4.2.2	AD736	19
4.2.2.1	Innenaufbau	19
4.2.2.2	Pin-Belegung	20
4.2.2.3	Eigenschaften	20
4.2.2.4	Testaufbau	21
4.2.3	AD797	22
4.2.3.1	Eigenschaften von AD797	22
4.2.3.2	Filterentwurf	22
4.2.3.2.1	Pin-Belegung	22
4.2.4	Schaltregler	24
4.2.5	Schalter	24
4.2.6	LED	24
4.2.7	Der Drehimpulsgeber	25
4.2.7.1	Funktionsweise	26
4.2.8	Atmega8	27
4.2.8.1	Der ADU	29
4.2.8.1.1	Die Eigenschaften vom ADU	30
4.2.9	LCD-Anzeige	31
4.2.9.1	PIN-Belegung	33
4.2.10	Programmiergerät	33
5	Software	35
5.1	PGA Ansteuerung mit der SPI Schnittstelle	35
5.1.1	Die Eigenschaften von SPI	37
5.1.2	Verlauf der SPI Programmierung für den PGA	37
5.1.3	SPI-Timing-Diagramm	39
5.1.4	Testaufbau	39
5.1.5	Flussdiagramm Modul ‘PGA’	41
5.2	Betrieb 1	42
5.2.1	PGA-Ansteuerung mit dem Drehimpulsgeber	42
5.2.1.1	Programmierungsverfahren	42
5.2.1.2	Flussdiagramm: ‘PGA-Ansteuerung mit dem Drehimpulsgeber	43
5.2.2	ADU-Programmierung	44
5.2.2.1	Flussdiagramm	46
5.2.3	LCD-Programmierung	47
5.2.3.1	Ausgabe des ADC_WERTS	48
5.2.3.2	Die Effektivwert-Ausgabe	49
5.2.3.3	Flussdiagramm	50
5.3	Betrieb2	51
5.3.1	Flussdiagramm	52
6	Simulation	53
6.1	Bandpass-Simulation	53
6.2	Sprungantwort	55
7	Fertigung	56
7.1	Testaufbau	57
8	Zusammenfassung und Ausblick	59
8.1	Ausblick	59
9	Schlussbemerkung	61
10	Abbildungsverzeichnis	62
11	Literaturverzeichnis	64
12	Anhang	65

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 Die Signalverstärkung am PGA muss inkrementiert werden// in dem die Variable N inkrementiert.

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.