Martin Schneider
Aufbau eines geregelten Verstärkers für Ultraschall
ISBN: 978-3-8428-2377-8
Herstellung: Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2012
Zugl. Beuth Hochschule für Technik Berlin, Berlin, Deutschland, Diplomarbeit, 2009
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© Diplomica Verlag GmbH
http://www.diplomica.de, Hamburg 2012
2
Danksagung
Diese Arbeit wurde an der Beuth Hochschule im Bereich Akustik und
Regelungstechnik angefertigt.
Mein herzlicher Dank gilt in diesem Zusammenhang meinem Betreuer Herrn
Prof. Dr.-
Ing Tobias Merkel, der mich jeder Zeit betreute um die Realisierung
dieser Arbeit zu ermöglichen.
Weiterhin geht mein Dank an Herrn Dipl.-Ing.Veysi ISIK , der immer
bereit war mich zu unterstützen
Ein besonderer Dank geht an dieser Stelle an meine Familie für ihre
Unterstützung, Geduld
und ihr Verständnis während meines Studiums und der Bearbeitung der
Diplomarbeit.
4
Inhaltsverzeichnis
Danksagung
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
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
6
1.
Einleitung
1.1
Hintergrund
,,In einem Experiment (Abbildung 1), wird ein Ultraschallstrahl mit der Frequenz von 40 kHz
quer durch den Raum geschickt (2) und anschließend mit einem Ultraschallmikrofon wieder
aufgenommen (3). Während der Strahl durch das Schallfeld einer Audioquelle mit der Fre-
quenz von 1 kHz (4) geleitet wird, wird er in der Luft mit dem hörbaren Schall (Audio) über-
lagert und dadurch moduliert (Abbildung2).
Abbildung 1.1: Der versuchsaufbau, durchgeführt von Prof. Merkel
1
Abbildung 1.2: Amplitudenspektrum des empfangenen Ultraschallstrahls
2
Die Abbildung 2 zeigt das Amplitudenspektrum des empfangenen Ultraschallstrahls. Es han-
delt sich tatsächlich um eine Amplitudenmodulation zwischen einem Ultraschallstrahl (40
kHz) und einem Audiosignal(1 kHz)". [1]
Ziel des Projekts ist es, den Ultraschallstrahl zu demodulieren um das Audiosignal zu erhal-
ten. 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 (Abbildung 1 (5)) keine Membrane oder Mikrofone not-
wendig sind.
1
Prof. DR. Merkel Tobias
/
^
s
:
<
W
2
Prof. DR. Merkel Tobias
/
^
s
:
<
W
7
1.2
Einsatzgebiet
Die Anwendung dieser Methode findet statt wenn die herkömmlichen Mikrofone stören oder
schwierig zu installieren sind
3
für Veranstaltungsraüme und virtuelle Fernsprecheinrichtungen
in Fahrzeugen.
1.3
Aufgabestellung
Als Ziel meiner Arbeit, soll das Mikrofonsignal herausgefiltert werden, und der Ultraschall-
strahl 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 Ar-
beit.
Abbildung 1.3: Blockschaltbild
3
Prof. DR. Merkel Tobias
/
^
s
:
<
W
8
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 Ab-
weichung 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 Gehäu-
se 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 Fil-
terentwurf 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 ge-
testet.
Im 8. werden die Ergebnisse der Arbeit zusammengefasst. Möglichkeit für Verbesserung so-
wie Weiterentwicklung werden gegeben.
Im 9.Kapitel wird eine Schlussbemerkung zu der Arbeit gemacht.
9
2
Grundlagen
2.1
Der Analog-Digital Wandler
Mit AD/Wandler werden analoge Signale in digitale Werte umgewandelt
2.1.1
Funktionsweise
Die AD-Umwandlung basiert auf die Sukzessive Approximation[2], sie benötigt einen
Komparator, einen DAU und ein Sukzessives Approximationsregister (SAR).
Abbildung 2.1: AD-Wandler mit Sukzessive Approximation
Das Verfahren funktioniert folgendermaßen:
Mit STC wird zuerst das MSB gesetzt, das Ergebnis ist ein Wert A = 1000000000 und ent-
spricht U(A) = Umax(A) /2= Uref/2 weil für A=1111111111 ist U(A)= Umax(A)= Uref .Die
Eingangsspannung wird mit Uref/2 verglichen, falls U> Uref/2 bleibt das MSB Bit gesetzt
anderenfalls wird da MSB auf Null gesetzt, das nächstniederwertiges Bit wird gesetzt. Mit
anderen Worten :
Uref
1111111111
Uref/2
1000000000
Uref/4
=
(Uref/2)>>1
0100000000
Uref/8 = (Uref/2)>>2 0010000000
Uref/16=(Uref/2)>> 3
0001000000
. .
. .
Wenn U>Uref/2 dann ist A= 1100000000 das entspricht Uref/2 +Uref/4 das ist aber grösser
als U weil U Uref nicht überschreiten darf. Dann wird Uref/2 mit Uref/8 addiert , das ent-
spricht 1010000000, das Ergebnis ist immer noch kleiner als U dann addiere ich dazu Uref/
16, das entspricht 1011000000, falls es grösser als Uref ist dann addiere stattdessen Uref/32
,das macht Uref/2 + Uref/8+Uref/32
1010100000 usw. Es werden Schritt für
Schritt alle Bits bis zum LSB ein- und wieder ausgeschaltet .Dadurch nährt sich die Span-
nung des DA- Wandler immer mehr der Eingangsspannung an. Der Wert des DA-Wandlers
entspricht der Eingangsspannung wenn das letzte Bit gesetzt ist. Das folgende Bild zeigt den
Verlauf bei einer 8 Bit Auflösung:
10
Abbildung 2.2: Verlauf der Umwandlung bei 8 Bit Auflösung
11
3
Schaltungsaufbau
Nachdem die Schaltung theoretisch in einem Blockschaltbild dargestellt wurde (siehe Abbil-
dung 1.3), wurde sie anschließend in EAGLE entworfen. Die verschiedenen Bauelemente
werden aus den Libraries eingefügt. Dann wird die gesamte Schaltung gezeichnet. Sie besteht
aus zwei Seiten.
Abbildung 3.1: Schaltung der esten Seite
12
Abbildung 3.2: Schaltung der zweiten Seite
Die 100nF Kondensatoren werden Abblockkondensatoren genannt und dienen dazu, die Ver-
sorgungsspannung stabiler zu halten. Sie sollen die Spannungseinbrüchen und die sogenann-
ten Spikes filtern. Die sind Spannungsspitzen, die bei nicht stabilisierten Netzteilen auftreten
und bis zu 0,25V erreichen können.
Die Abblockkondensatoren sollen HF-Störungen und Schwingungen vermeiden. Sie werden
ganz nah wie möglich am Spannungsversorgungspin gegen Masse geschaltet, da diese Stö-
rungen sich über die Leitung breiten.
13
Die Elkos dienen dazu, die Spannungsschwankungen durch den hohen Strombedarf zu kom-
pensieren. Sie sind vor allem wichtig, wenn die Stromspitzen geglättet werden müssen.
Die Elkos werden auch als Strompuffer eingesetzt, und müssen auch ganz nah am Versor-
gungspin gegen Masse angeschlossen werden.
Die 10K
Widerstände, die am Mikrocontroller angeschlossen sind, dienen als PullUp Wie-
derstände und werden benutzt um die Störsicherheit zu erhöhen.
14
4
Hardware
4.1
Bestückungsliste
Stück Artikel
ArtikelNr
1 ATMEGA8-16PU
9171380 Farnell
1 Max232ACPE+ 9723773
Farnell
1
D SUB stecker 9 männlich
TFH
1
Schlatregler 78SR105HC
1216736 Farnell
1
AVR ISP
AT AVR ISP bei reichelt
1 LED
rot
TFH
1 schalter
TFH
1 Drehpulsgeber TFH
1 LCD_display
Pollin
1
PGA2310PA
8434905 bei Farnell
1
AD736 JNZ
9605061 bei Farnell
2
AD797
9603778 bei Farnell
4 470uF/25
1144623
Farnell
1 82pF
457230
conrad
1
1,5 uF
453013-62 conrad
1 120pF
457469-62
conrad
1
180 pF
457558 conrad
1
11k( type : 0207)
420867-62 conrad
1
75k( type : 0207)
420964-62 conrad
8
10 k ( type : 0207)
403377-62 conrad
1
20k ( type : 0207)
420891-62 conrad
2 22pF
457167-62
conrad
1
Poti 2,5 k
431346-62 conrad
1
4,7 uF
472476-62 conrad
20 100
nF
TFH
6
Elko 10 uF
TFH
1 490
Ohm
TFH
Tabelle: Bauteilliste
15
4.2
Hardwarebeschreibung
Zum Aufbau der Schaltung wurden die folgenden Bauelemente ausgewählt:
4.2.1
PGA2310
Das Herzstück der Platine bildet der PGA2310. Der PGA zu Deutsch Programmierbare Ope-
rationsverstärker ist ein digital einstellbare Lautstärkeregler von Burr Brown/ Texas Instru-
ments und dient dazu, das Eingangssignal zu dämpfen bzw. zu verstärken. Angesteuert wird
er durch einen Mikrocontroller ATmega8 von ATMEL. Nach einer Überlegung zwischen
dem PGA2310 und dem PGA2320, habe ich den PGA2310 ausgewählt da er eine größere
Bandbreite hat (1,5MHz) als die von dem PGA2320(1 MHz).
4.2.1.1
Innenaufbau
Abbildung 4.1: PGA2310 Blockdiagramm
Der PGA2310 Besteht aus 2 Kanälen (Der Linke und Rechte Kanal), jeder Kanal verfügt über
einen nicht invertierenden Operationsverstärker, der mit einem schaltbaren Widerstandsnetz-
werk in Reihe geschaltet ist. Die gesamte Verstärkung ergibt sich aus der Multiplikation von
der Dämpfung durch das schaltbare Widerstandsnetzwerk und der Verstärkung durch den
OPV .Sie wird durch den SPI Bus von dem Mikrocontroller programmiert, und kann somit
verstellt werden.[3]
16
4.2.1.2
Pin-Belegung
Abbildung 4.2: PGA PIN BELEGUNG
Der PGA2310 verfügt am Pin1 (Zcen: Zero crossing enable) über einen Vorteilhaften Mecha-
nismus: Ein neuer Verstärkungswert wird erst übernommen, wenn das Audiosignal zwei
Nulldurchgänge passiert hat. Mit dieser Methode werden die Akustischen Glitches (kurzzeiti-
ge akustische Störungen) reduziert. Der Mechanismus wird aktiviert wenn Zcen high ist, eine
Deaktivierung dieses Mechanismus (Zcen = low) führt zu Schaltgeräuschen daher sollte Zcen
immer mit 5V angeschlossen werden. Die folgenden Graphen zeigen den Verlauf eines Au-
diosignals mit aktiver ,,Nulldurchgangsdetektion" und nicht aktiver ,,Nulldurchgangsdetekti-
on".
Ende der Leseprobe aus 72 Seiten
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Details
- Arbeit zitieren
- , 2009, Aufbau eines geregelten Verstärkers für Ultraschall, Hamburg, Bedey Media GmbH, https://www.diplom.de/document/228737
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