远距离超声波测距研究弱超声波信号预处理
本设计是采用AD603可控增益放大器芯片设计的一款高增益，高宽带直流放大器，该芯片具有改变电压来控制增益的特性，故用此特性来实现放大器的增益控制。其采用两级级联放大电路，提高了放大增益，扩展了通频带宽，而且具有良好的抗噪声系数。在此基础上采用STC89C52RC单片机运算控制数模转换芯片DAC0832输出控制电压加在增益控制接口来改变增益，实现程控放大，并在液晶显示器上显示增益值和输入输出信号峰峰值。本系统能够实现增益由程序控制，并且满足各项技术指标，工作可靠，性价比高。关键词 单片机，模数转换，放大电路，程控增益目 录
1 引言 1
2 课题研究背景及意义 1
2.1 弱信号检测技术的背景 1
2.2 弱信号检测技术在国内外的发展情况 2
2.3 前置放大器相关理论 3
2.4 本课题的意义 3
3 系统方案设计 4
3.1 总体方案设计 4
3.2 模块化设计 4
4 基于AD603的程控放大器硬件系统设计 5
4.1 主要芯片介绍 6
4.2 硬件系统设计 12
4.3 绘制电路原理图与PCB图 15
4.4 电路板焊接 15
5 软件设计部分 16
6 系统的硬件与软件调试 17
6.1 硬件电路设计修改过程 17
6.2 硬件检测 18
6.3 软件程序与硬件联调 18
结论 23
致谢 24
参考文献 25
附录A 原理图 26
附录B 程序代码 27
1 引言
在固体和液体的超声检测中，常常需要通过超声换能器将一探测信号发出，然后再接收反射信号并进行处理，在这一过程中，先由超声换能器将电信号转换成超声波信号发出，该超声波信号至反射界面被反射后，反射波再由超声换能器转变成电信号。这个信号的幅度很小，只有mV级别，如何将这些信号与单片机的接口水平具有重要的现实意义。超声波测距时，当遇到比较厚的材质或者当发射电路中的激励电压小，其探头能够收到的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
在固体和液体的超声检测中，常常需要通过超声换能器将一探测信号发出，然后再接收反射信号并进行处理，在这一过程中，先由超声换能器将电信号转换成超声波信号发出，该超声波信号至反射界面被反射后，反射波再由超声换能器转变成电信号。这个信号的幅度很小，只有mV级别，如何将这些信号与单片机的接口水平具有重要的现实意义。超声波测距时，当遇到比较厚的材质或者当发射电路中的激励电压小，其探头能够收到的回波信号非常弱，数量级只能达到几mV，其需要的增益相对较大；相反地，当遇到相对薄的材质或者当发射电路中的激励电压大，其探头能够收到的回波信号比较强的时候，能够达到几百mV，其需要的增益相对较小。因此，弱信号的预处理很有必要。
对于微弱信号的预处理，首先从驱动方面来说，由于物理量经由传感器转化成为的电信号非常小，不能够被测量仪器检测出，比方来说正常来说要用到一个TTL电平，并且经常有噪声信号，太弱的信号是无法驱动滤波器进行滤波；换个角度说，若这个测量系统是一个闭环的测量系统，那么将这个放大器作为一个增益，并设计确定其放大倍数，用来实现预期的系统响应特性[1]。所以放大器几乎是测量系统的必要元件，超声弱信号的放大和滤波显得尤为重要。所以对于不一样的超声探测回波信号必需要经过相应的处理，即放大滤波，以便进行更进一步的研究，使其回波信号经由程控增益放大器放大，用STC89C52RC输出电压信号实现程控增益，最终结果是使得处理之后的信号幅值大小在500毫伏以内，之后经由运放放大10倍，使其输出在0伏特到5伏特，准备回波信号的后续处理。
2 课题研究背景及意义
2.1 弱信号检测技术的背景
在弱信号检测技术中，不可缺少的东西就是放大器。放大器，顾名思义，就是能够放大待测信号的电压或者是功率的装置。
伴随着世界上第一个放大器的问世，标志着弱信号检测这方面的研究的质的飞跃，在很大程度上推动了和其相关的学术领域的发展。但是现在，弱信号检测方面的研究以及测量仪器都在不断地发展，在诸多科学和研究方面都得以大量应用，并且在将来科学的发展中不只是对弱信号研究这方面要求更加苛刻，新兴的科学研究也同样促进了弱信号检测的发展。
最开始的放大器的制造材料基本上都是锗管，不过因为锗管制造工艺的诸多弊端，所以在放大器中的，在半导体制作工艺的迅速进步的同时，高品质的晶体管种类和数量也是日渐增长，更多的功放选用OTL变压器和省去输出端大电容的功放电路，在大功率PNP硅管大量在生产生活中运用的同时，互补对称电路得到广泛的应用。制作工艺及制作材料的改进使得功放的生产质量和技术指标得到了标志性的突破。
2.2 弱信号检测技术在国内外的发展情况
首先，不仅仅是在超声波的研究领域，在很多其他领域的学术研究以及现实生活里面我们也总是会需要去处理那些被强噪音影响的弱信号。弱信号的采集和处理是随着诸多新兴科学发展而逐步被重视并日新月异的一门技术，运用放大滤波等手段来进行弱信号的调理。由于在微弱信号检测预处理系统中，我们处理的信号是及其微弱的毫伏级别的信号，因而不能用和处理其他信号一样的放大器，不然的话我们所处理的微弱信号就会被其本底噪声所掩盖。所以在这一过程中，如何在去噪的前提下将弱信号放大是我们获取有用信号至关重要的地方。
其次，随着软件技术的日益提升，我们在弱信号检测所需用到的软件，比如MATLAB、C语言、以及Lab VIEW均具有强大的数据处理功能。尽管一些弱信号处理（如周期性信号）可以完全使用硬件实现，但是对于不懂硬件并且不经常使用硬件的人，要其设计一个成熟的硬件系统基本是不可能的且花费较高，同时也需要较强的专业知识。所以近年来利用软件来进行弱信号的检测技术成为一种新兴的方法，并且这种方法比硬件要更为省钱，更为方便。如基于Lab VIEW平台利用小波变换法、差分阈值法对弱心电信号进行软件处理[2]。正由于Lab VIEW的便利、灵活，令其在弱信号的检测处理领域有着很大的发展前景。
最后，在分析诸多各类文献的基础上，提出一些发展趋势。一，非线性理论去噪方法仍然是未来研究的热点，应用领域将越来越广泛；二，将诸多技术联系起来综合运用比只用一种技术进行的弱信号处理，难度更低，SNR更高，还有更多的弱信号处理技术种类有待开发；三，结合Lab VIEW与MATLAB、C语言等软件的混合编程工具将得到更广泛的应用，特别是在超声波领域的应用。
2.3 前置放大器相关理论
在超声波测距中，探头输出的弱信号往往非常之小，需要加以放大再进行测量。探测器和整个放大器系统的连接方式应该是探测器-前置放大器-主放大器-输出。其中，和探测器输出直接连接的电路叫做前置级，这部分电路的作用是对小信号进行放大，所以叫做前置放大器。前置放大器在整个放大系统中的部位如图2-1所示。
图2-1 探测-前放-主放系统
前置放大器在放大弱小有用信号的时候，会将噪声也一起放大，因此对于整个弱信号检测系统而言，前放是吸收噪声的主要部分。但在此系统中前置放大器和探测器这个整体通常有良好的屏蔽，可以有效地抑制外界干扰。经由前放暑促会的信号在通过电缆时收到干
1 引言 1
2 课题研究背景及意义 1
2.1 弱信号检测技术的背景 1
2.2 弱信号检测技术在国内外的发展情况 2
2.3 前置放大器相关理论 3
2.4 本课题的意义 3
3 系统方案设计 4
3.1 总体方案设计 4
3.2 模块化设计 4
4 基于AD603的程控放大器硬件系统设计 5
4.1 主要芯片介绍 6
4.2 硬件系统设计 12
4.3 绘制电路原理图与PCB图 15
4.4 电路板焊接 15
5 软件设计部分 16
6 系统的硬件与软件调试 17
6.1 硬件电路设计修改过程 17
6.2 硬件检测 18
6.3 软件程序与硬件联调 18
结论 23
致谢 24
参考文献 25
附录A 原理图 26
附录B 程序代码 27
1 引言
在固体和液体的超声检测中，常常需要通过超声换能器将一探测信号发出，然后再接收反射信号并进行处理，在这一过程中，先由超声换能器将电信号转换成超声波信号发出，该超声波信号至反射界面被反射后，反射波再由超声换能器转变成电信号。这个信号的幅度很小，只有mV级别，如何将这些信号与单片机的接口水平具有重要的现实意义。超声波测距时，当遇到比较厚的材质或者当发射电路中的激励电压小，其探头能够收到的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
在固体和液体的超声检测中，常常需要通过超声换能器将一探测信号发出，然后再接收反射信号并进行处理，在这一过程中，先由超声换能器将电信号转换成超声波信号发出，该超声波信号至反射界面被反射后，反射波再由超声换能器转变成电信号。这个信号的幅度很小，只有mV级别，如何将这些信号与单片机的接口水平具有重要的现实意义。超声波测距时，当遇到比较厚的材质或者当发射电路中的激励电压小，其探头能够收到的回波信号非常弱，数量级只能达到几mV，其需要的增益相对较大；相反地，当遇到相对薄的材质或者当发射电路中的激励电压大，其探头能够收到的回波信号比较强的时候，能够达到几百mV，其需要的增益相对较小。因此，弱信号的预处理很有必要。
对于微弱信号的预处理，首先从驱动方面来说，由于物理量经由传感器转化成为的电信号非常小，不能够被测量仪器检测出，比方来说正常来说要用到一个TTL电平，并且经常有噪声信号，太弱的信号是无法驱动滤波器进行滤波；换个角度说，若这个测量系统是一个闭环的测量系统，那么将这个放大器作为一个增益，并设计确定其放大倍数，用来实现预期的系统响应特性[1]。所以放大器几乎是测量系统的必要元件，超声弱信号的放大和滤波显得尤为重要。所以对于不一样的超声探测回波信号必需要经过相应的处理，即放大滤波，以便进行更进一步的研究，使其回波信号经由程控增益放大器放大，用STC89C52RC输出电压信号实现程控增益，最终结果是使得处理之后的信号幅值大小在500毫伏以内，之后经由运放放大10倍，使其输出在0伏特到5伏特，准备回波信号的后续处理。
2 课题研究背景及意义
2.1 弱信号检测技术的背景
在弱信号检测技术中，不可缺少的东西就是放大器。放大器，顾名思义，就是能够放大待测信号的电压或者是功率的装置。
伴随着世界上第一个放大器的问世，标志着弱信号检测这方面的研究的质的飞跃，在很大程度上推动了和其相关的学术领域的发展。但是现在，弱信号检测方面的研究以及测量仪器都在不断地发展，在诸多科学和研究方面都得以大量应用，并且在将来科学的发展中不只是对弱信号研究这方面要求更加苛刻，新兴的科学研究也同样促进了弱信号检测的发展。
最开始的放大器的制造材料基本上都是锗管，不过因为锗管制造工艺的诸多弊端，所以在放大器中的，在半导体制作工艺的迅速进步的同时，高品质的晶体管种类和数量也是日渐增长，更多的功放选用OTL变压器和省去输出端大电容的功放电路，在大功率PNP硅管大量在生产生活中运用的同时，互补对称电路得到广泛的应用。制作工艺及制作材料的改进使得功放的生产质量和技术指标得到了标志性的突破。
2.2 弱信号检测技术在国内外的发展情况
首先，不仅仅是在超声波的研究领域，在很多其他领域的学术研究以及现实生活里面我们也总是会需要去处理那些被强噪音影响的弱信号。弱信号的采集和处理是随着诸多新兴科学发展而逐步被重视并日新月异的一门技术，运用放大滤波等手段来进行弱信号的调理。由于在微弱信号检测预处理系统中，我们处理的信号是及其微弱的毫伏级别的信号，因而不能用和处理其他信号一样的放大器，不然的话我们所处理的微弱信号就会被其本底噪声所掩盖。所以在这一过程中，如何在去噪的前提下将弱信号放大是我们获取有用信号至关重要的地方。
其次，随着软件技术的日益提升，我们在弱信号检测所需用到的软件，比如MATLAB、C语言、以及Lab VIEW均具有强大的数据处理功能。尽管一些弱信号处理（如周期性信号）可以完全使用硬件实现，但是对于不懂硬件并且不经常使用硬件的人，要其设计一个成熟的硬件系统基本是不可能的且花费较高，同时也需要较强的专业知识。所以近年来利用软件来进行弱信号的检测技术成为一种新兴的方法，并且这种方法比硬件要更为省钱，更为方便。如基于Lab VIEW平台利用小波变换法、差分阈值法对弱心电信号进行软件处理[2]。正由于Lab VIEW的便利、灵活，令其在弱信号的检测处理领域有着很大的发展前景。
最后，在分析诸多各类文献的基础上，提出一些发展趋势。一，非线性理论去噪方法仍然是未来研究的热点，应用领域将越来越广泛；二，将诸多技术联系起来综合运用比只用一种技术进行的弱信号处理，难度更低，SNR更高，还有更多的弱信号处理技术种类有待开发；三，结合Lab VIEW与MATLAB、C语言等软件的混合编程工具将得到更广泛的应用，特别是在超声波领域的应用。
2.3 前置放大器相关理论
在超声波测距中，探头输出的弱信号往往非常之小，需要加以放大再进行测量。探测器和整个放大器系统的连接方式应该是探测器-前置放大器-主放大器-输出。其中，和探测器输出直接连接的电路叫做前置级，这部分电路的作用是对小信号进行放大，所以叫做前置放大器。前置放大器在整个放大系统中的部位如图2-1所示。
图2-1 探测-前放-主放系统
前置放大器在放大弱小有用信号的时候，会将噪声也一起放大，因此对于整个弱信号检测系统而言，前放是吸收噪声的主要部分。但在此系统中前置放大器和探测器这个整体通常有良好的屏蔽，可以有效地抑制外界干扰。经由前放暑促会的信号在通过电缆时收到干
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