Hüllkurven-/Peak-Detektor

Ich arbeite an einem Projekt, in dem wir versuchen, ein Ultraschall-Dickenmessgerät zu entwerfen und zu bauen, das die Dicke eines bestimmten Teils basierend auf der Zeitdifferenz zwischen dem Senden eines Signals und dem Empfang einer Reflexion berechnet (unter Verwendung der bekannten Schallgeschwindigkeit). das Medium). Wir verwenden derzeit einen Arduino Nano als MCU für unseren Prototypen. Wir haben den von der MCU erzeugten Impuls erfolgreich auf eine höhere Spannung verstärkt, die dann verwendet wird, um den Ultraschallwandler (der mit dem zu messenden Teil in Kontakt steht) anzuregen. Die Reflexion wird dann vom zweiten Element des Wandlers erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das um die Eigenfrequenz des Wandlers (5 MHz) herum zentriert ist. Dieses Signal wird dann zu einem Pegel verarbeitet (verstärkt und gefiltert), der von der MCU erkannt werden kann (Schaltkreis- und Oszilloskop-Screenshot wie unten gezeigt). Aufgrund der begrenzten Abtastrate der MCU wird das Signal jedoch nicht zuverlässig erkannt. Daher habe ich mich gefragt, ob wir in der Lage wären, einen Hüllkurvendetektor zu entwickeln, der die Amplitudenmodulation des Reflexionssignals extrahiert und eine sehr hohe Frequenz effektiv in ein Signal mit niedrigerer Frequenz umwandelt, von dem ich hoffe, dass es von der MCU erkannt wird.

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Nach dem, was ich bisher gelesen habe, würde dies erreicht, indem das Signal zuerst mit einer „Superdiode“ (Präzisionsgleichrichterkonfiguration wie unten gezeigt) gleichgerichtet und dann über einen Operationsverstärkerintegrator integriert wird. Da ich mich jedoch auf eine Einzelversorgung verlasse und die Frequenz des interessierenden Signals sehr hoch ist, funktioniert der Gleichrichter anscheinend nicht wie erwartet (der verwendete Operationsverstärker ist LM7171 mit einer sehr hohen Anstiegsgeschwindigkeit von 4100 V / µs). Tatsächlich hat sich dieses spezielle Design mit Einzelversorgung als nutzlos erwiesen, obwohl derselbe Operationsverstärker unter einer Einzelversorgungsanordnung für die oben gezeigten Schaltungen perfekt funktioniert hat. Gibt es vielleicht eine Möglichkeit, einen Hüllkurvendetektor vollständig aus Transistoren anstelle von Operationsverstärkern zu entwickeln?

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Alle Hinweise oder Vorschläge werden sehr geschätzt!

Vielen Dank im Voraus

Sie werden wahrscheinlich eine kleine Obergrenze für D1 benötigen

Antworten (3)

Nachdem ich das Datenblatt von LM7171 gelesen habe, habe ich 7 Vorschläge:

0) ist Ihr Oszilloskop schnell genug (500 MHz), um nach Schwingungen des OpAmp zu suchen

1) Betreiben Sie den OpAmp mit 10 Volt; es ist nicht mit nur 5 Volt VDD gekennzeichnet

2) Verwenden Sie eine Grundebene

3) das Datenblatt besagt, dass Rminvalue_feedback 500 Ohm beträgt;

4) Stellen Sie sicher, dass Ihre VDD-Bypass-Kappen 1 mm (1/32 ") von den IC-Leitungen oder näher entfernt sind; verwenden Sie SurfaceMount-Bypass-Kappen; um die Induktivität der Leiterplatte teilweise aufzuheben, platzieren Sie das GND-Via wieder unter der Bypass-Kappe; Strom fließt durch die Kappe und muss dann umkehren und ein paar Millimeter zurückfließen, was eine teilweise Aufhebung von L beweist.

5) Ihre Gleichrichterschaltung sollte funktionieren, aber reduzieren Sie die Widerstandswerte, um die Gleichrichtungsbandbreite zu erhöhen. Der Ausgangsknoten ist nicht direkt mit dem Operationsverstärker verbunden, sodass der Operationsverstärker nicht sicherstellen kann, dass die mögliche Bandbreite der erreichten Bandbreite entspricht. Beispiel: Mit 10 pF auf Vout und 100 kOhm Rfeedback haben Sie ein 1uS Tau und somit einen 1uS PeakDetector.

7) Um das Oszillationsrisiko zu verringern, platzieren Sie Ihre Widerstände direkt neben dem OpAmp-IC; Ich habe mit ADCs gearbeitet, die oszillierten (10 Millivolt auf -5,2 VDD bei 900 MHz); und die Installation von 33_ohm SMT R unter dem (gebogenen) Vin-Pin war die Heilung. Gate-Stopper Rs sind ein Sicherheitsfaktor bei der Verwendung von Leistungs-MOSFETS. Ein schneller OpAmp braucht auch diesen Respekt für die Verstärkungsbandbreite, die er in Ihre Schaltung bringt; dämpfen Sie seine Stifte.

+6 aber nur einer ist aufgetaucht :)

Der Grund für die Notwendigkeit des Hüllkurvendetektors war, dass der ADC der MCU nicht schnell genug abtasten kann, um das Signal zuverlässig zu erkennen. Lassen Sie mich eine andere Option vorschlagen, die ohne Hüllkurvendetektor funktionieren würde: Verwenden Sie eine MCU mit integriertem Analogkomparator.

Der analoge Komparator kann mit externen Komponenten konfiguriert werden, sodass sobald der Eingang eine bestimmte Spannungsschwelle überschreitet, der Komparator eine logische Eins ausgibt. Die MCU kann dann so eingerichtet werden, dass sie jedes Mal einen Interrupt auslöst, wenn der Komparator eine steigende Flanke zeigt. Noch besser: Kombinieren Sie es mit einem internen Timer, der über eine Input-Capture-Funktion verfügt.

Einige AVRs sind beispielsweise in der Lage, die Eingangserfassungsfunktion bei einer steigenden oder fallenden Flanke des analogen Komparators auszulösen. Die Eingangserfassung speichert den Timerwert im Moment der Flanke und kann zusätzlich einen Interrupt auslösen. Subtrahiert man den gespeicherten Timerwert (Startzeitpunkt des Ultraschallsenders), erhält man die benötigte Laufzeit.

Sie haben auch nach einem Hüllkurvendetektor gefragt, der nur Transistoren verwendet. Ich gehe davon aus, dass die 2 Transistoren bei gleichem Strom eine ähnliche VBE haben. Das Poti ermöglicht eine gewisse Einstellung für den Schwellenwert. Wenn Sie Vout nicht auf nahe +5 V einstellen können, wenn kein Eingang vorhanden ist, tauschen Sie die 2 Transistoren aus. Die "Verstärkung" ist das Verhältnis von Rcollector (linker NPN) / R_emitter (linker NPN), wobei einige Skalierungsfaktoren die Fläche unter einer Sinuskurve betreffen. Warum gibt es hier keinen Miller-Effekt?

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Hüllkurven-/Peak-Detektor
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