[發明專利]超聲測距用多級高動態范圍自動增益控制電路

無效

• 申請號: 200910068981.2
• 申請日: 2009-05-22
• 公開（公告）號: CN101557204A
• 公開（公告）日: 2009-10-14
• 發明（設計）人: 孟慶浩;姚振靜;林圃;李根旺
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H03G3/20
• 分類號: H03G3/20;G01S15/08;G01S7/529
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所
• 代理人: 江鎮華

技術領域

本發明涉及一種超聲測距系統回聲信號自動控制技術。特別是涉及一種適用于工業現場基于超聲的距離測量，也可用于移動機器人實時避障或自主車輛導航等的超聲測距用多級高動態范圍自動增益控制電路。

背景技術

在空氣介質中，聲波沿其傳播路徑受到反射、散射、吸收等因素的影響，其強度將隨傳播距離的增大而迅速衰減。因此，障礙物距離超聲換能器較遠時，回聲信號很微弱，障礙物距離超聲換能器較近時，回聲信號幅度大，這種回聲信號幅度的波動會給回聲信號的接收以及后續處理帶來不確定性，從而導致測量誤差產生，甚至產生錯誤測量結果。因此，通常在超聲測距系統的回聲信號接收電路中配置自動增益控制電路。

自動增益控制電路能自動調節電路的放大倍數，在信號輸入微弱時，放大倍數增大；同樣在輸入信號很強時，放大倍數變小；此增益控制電路在輸入信號幅度不同的情況下，輸出信號幅值相同且波形不失真。

圖1描述了超聲測距系統的原理框圖。下面將說明超聲測距系統的結構及工作原理。如圖1所示，系統上電后開始工作，由FPGA的發射序列模塊101產生發射序列，該發射序列通過功率放大模塊102放大為高壓信號，該高壓信號激勵超聲換能器103發射出超聲波，超聲波遇到障礙物104后返回，返回的回聲信號被超聲換能器103接收，接收到的回聲信號經過濾波電路105后送往自動增益控制電路106放大到預定值以保證回聲信號波形的幅值不隨測量距離的變化而變化，放大后的回聲信號送往整形電路107轉換為二值信號，將該二值信號送入FPGA的回聲信號處理及距離計算模塊108計算換能器與障礙物的距離。

國內外相關文獻分析：

文獻“自動增益電路在超聲波測距系統中的應用研究”(測控技術，2005年第24卷第7期，華中科技大學控制科學與工程系，曾祥進，王敏，黃心漢)應用場效應管的可變電阻功能，設計了一種自動增益電路來對超聲波的聲波衰減進行補償。該文獻根據聲波在空氣中傳播時聲強按指數規律衰減的特性，設計的自動增益補償電路的放大倍數呈指數規律變化。

文獻“提高超聲波測距精度方法的研究”(現代電子技術，2007年第15期，中國計量學院，張珂，劉鋼海)采用時間增益補償技術，補償超聲波在空氣中的衰減，減少回波信號的起伏。該文獻根據時間增益補償回聲信號的衰減，即時間上較早到達的回聲信號的放大倍數較小。

文獻“大動態范圍高線性JFET壓控電阻”(南開大學學報(自然科學)，2001年第34卷第4期，南開大學微電子科學系，宋樹貴，柏松)擴大了JFET可變電阻區的動態范圍，并能實現壓控正電阻和壓控負電阻。該文獻只討論了如何擴大JFET可變電阻區的動態范圍，不涉及自動增益控制電路的設計。

文獻“一種高精度超聲波測距系統的改進”(電子技術應用，2007年第4期，中南大學機電工程學院，趙海鳴，王紀嬋，劉軍，史春雪)提出了一種利用回波包絡、微分和過零檢測來確定超聲波回波到達時刻的方法，在其硬件電路的設計中自動增益電路由可編程放大器，數字電位器結合單片機實現，將在不同距離處測得的放大倍數換算成數字電位器的抽頭位置，將位置參數固化到E²PROM中，單片機通過中斷方式查表獲得對應的放大倍數，該文獻中的自動增益電路所能放大的倍數有限，不能實現放大倍數無級可調。

“自動增益控制電路”(專利申請號：200310117902.5)提出了一種不需要由電阻器和電容器構成的積分電路的自動增益控制電路，該方案中控制輸入信號的放大或衰減倍數是由電壓比較器、遞增/遞減計數器和數/模轉換電路組成，輸出信號與設定信號送入電壓比較器，用電壓比較器的輸出信號控制遞增/遞減計數器的計數值，從數/模轉換電路輸出與計數值對應的電壓，該電壓控制可變增益放大電路的增益值。此發明不涉及多級放大，且放大倍數不是無級可調的。

“自動增益控制電路”(實用新型專利申請號：200620129766.0)提供的自動增益控制電路的放大倍數控制信號由比較器和積分器產生。

“大動態輸入信號自動增益控制電路”(專利申請號：00125471.5)提出了一種大動態輸入信號自動增益控制電路，能夠補償二極管在小信號檢波時的非線性問題，其用兩級受控增益放大電路來實現電路中的自動增益控制能力，放大倍數的控制方法使用比較器。

博士學位論文“大量程超聲波測距系統研究”(國防科學技術大學，潘仲明，2006)采用阻容電路的充放電規律實現增益按指數規律變化的自動增益可控電路。