Високоточний далекомір на компонентах Texas Instruments

Герберт Шварц (Texas Instruments)

Представлений додаток «Дальномір» заснований на використанні радіолокаційного трансівера в сантиметровому К-діапазоні 24 ГГц. Використовуваний радіолокаційний датчик має вбудовану антену прийому та передачі. Для точного визначення відстані до об'єкта та його швидкості необхідно використовувати хороший датчик радіолокації і високопродуктивний аналоговий підсилювач. Більш того, для керування всім додатком необхідний мікроконтролер з низьким енергоспоживанням та вбудованим дельта-сигмою АЦП. Принципова схема докладно пояснюється нижче.

Джерело живлення - лінійний регулятор LDO TPS7A4901

Джерелом живлення для цієї програми є позитивний лінійний регулятор з ультранизким шумом (15,1 мкВRMS, 72 дБ).

Для живлення всієї програми достатньо максимального струму навантаження в 200 мА. Лінійний регулятор має сумісний з КМОП-логікою висновок роздільної здатності та функцію програмованого м'якого старту, що дозволяє створювати індивідуальні рішення керування живленням. Іншими особливостями є вбудовані обмежувачі за силою струму та температури для захисту пристрою та системи в аварійних умовах. VIN-виведення регулятора підключається до зовнішнього джерела живлення 9 В. Вихідна напруга регулятора встановлюється за допомогою резисторів R13 і R14 на рівні 3,3 В. Вихідну напругу можна вивести з формули:

R13 = R14 (VOUT/VREF - 1),

де VREF регулятора, як правило, дорівнює 1194 В.

Радіолокаційний датчик RSM3650

У радіолокаційній системі застосовується радар з безперервною хвилею, що працює на частоті 24 ГГц. Напруга живлення в 3,3 В для трансівера з К-діапазоном має бути дуже стабільною. Згаданий вище лінійний регулятор LDOTPS7A4901 забезпечує стабільну опорну напругу. Транзистор T1 використовується для включення та вимкнення напруги живлення датчика RVCC (висновок 1). Струм живлення радара дорівнює 29,5 мA. Вихідний сигнал з'являється на виводі 3 і йде на вхідний висновок 1 підсилювача.

Спочатку нам потрібно звернути увагу на вибір правильної смуги пропускання і, звичайно, на необхідне посилення для радіолокаційного низьковольтного сигналу (300 мВ). Операційний підсилювач (ОУ)MC33078, що використовується, від Texas Instruments працює в широкому діапазоні від одного джерела напруги і з високою добротністю в смузі до 16 МГц. Сигнал трансівера від датчика радіолокації надходить з виведення 3 на вхід підсилювача. Підсилювач складається з двох каскадів з посиленням 2х30 дБ та адаптованою смугою пропускання в 1061 Гц. Характеристики підсилювача показано малюнку 1.

Мал. 1.Характеристики підсилювача високоточного далекоміра

Другий каскад дозволяє проводити додаткове регулювання рівня чутливості для калібрування далекоміра. Зрештою, на виході ОУ посилений сигнал (рис. 2) може бути оброблений мікроконтролером. Певна смуга пропускання залежить від швидкості об'єкта. Наприклад, для вимірювання відстані при паркуванні автомобіля швидкість об'єкта 25 км/год відповідає реальним умовам. Високопродуктивний підсилювач дозволяє уникнути будь-яких обмежень, що стосуються відношення сигнал-шум трансівера, що працює в К-діапазоні.

Мал. 2.Вимірювання швидкості об'єкта та відстані до нього

Допплерівська частота характеризує швидкість об'єкта, а відстань до нього може бути визначена за допомогою амплітуди (АХЧ) відбитого сигналу радіолокації (рис. 2). Обидва параметри вимірюються дельта-сигма-перетворювачем у використовуваному мікроконтролері!

Мікроконтролер MSP430AFE253

Сигнал безперервної радарної хвилі перетворюється 24-бітовим дельта-сигма-перетворювачем. Далекомір заснований на базі мікроконтролера MSP430AFE253 з низьким енергоспоживанням. Схема застосування показана малюнку 3.

Мал. 3.Високоточний далекомір на основі R-технології

MSP430AFE253 належить до лінійки мікроконтролерів серіїAFE2x3 від Texas Instruments. Даний мікроконтролер є високопродуктивним пристроєм з трьома каналами та трьома незалежними дельта-сигма-перетворювачами другого порядку з динамічним діапазоном понад 100 дБ. Ця серія мікроконтролерів характеризується найвищою точністю результатів та забезпечує одночасну обробку напруги та струму. Мікроконтролер оснащений вбудованим модулем дельта-сигма-АЦП. У далекомірі для узгодження рівня радіолокаційного сигналу з аналоговим входом дельта-сигма-перетворювача застосовується підсилювач малошумний з певною смугою пропускання і коефіцієнтом посилення. Після підключення живлення до програми за допомогою вимикача S1 мікроконтролер подає напругу на радіолокаційний датчик і аналоговий підсилювач. Висновок 24 мікроконтролера переходить у високий рівень і включає T1. Дельта-сигма-перетворювач здійснює постійний моніторинг сигналу радіолокації (рис. 3) на виведенні 1 мікроконтролера. Рівень чутливості можна регулювати за допомогою P1 потенціометра, розташованого в другому каскаді підсилювача. Для визначення відстані в цьому додатку ми повинні вимірювати тільки амплітуду у відповідь радіолокаційного сигналу. Якщо сигнал сильніший за попередньо встановлений рівень чутливості , то починається розрахунок відстані. Якщо відстань ≤60 смспалахує перший зелений світлодіод. Кожен світлодіод показує 10 см наближення до перешкоди. Це означає, що якщо загорілися всі світлодіоди, то відстань до об'єкта дорівнює 20 см. Попередньо задана дистанція досягнута. Світлодіоди LED 1…LED 4 горять зеленим кольором, а LED 5 спалахує червоним. Усі світлодіоди керуються висновками 10, 17...20 мікроконтролера. Далекомір є високоточною вимірювальною системою з низьким шумом. Програму слід вимкнути кнопкою S1. При цьому живлення радіолокаційного датчика та підсилювача відключається для економії енергії. Якщо живлення радара вимкнено повністю, мікроконтролер переходить в енергозберігаючий режим.

Чому я використовую датчик радіолокації для вимірювання відстані?

Це найкращий спосіб визначення радіального руху і простого визначення будь-якої швидкості об'єкта, що рухається. Більш того, датчик радіолокації дуже стабільний щодо впливів навколишнього середовища. Дощ, сніг та забруднення не можуть вплинути на вимірювальну систему.