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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Sinus für ATMega8 vorbereiten


Autor: Stefan654 (Gast)
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Hi zusammen,

habe folgende Problemstellung und würde gerne mal ein paar Tipps und 
Ratschläge von Profis dazu hören:
Es geht um das Signal eines Ultraschall- Empfangswandlers. Dh ich habe 
eine sinusförmige AC Spannung (40kHz) mit Amplituden von rund 10...50mV. 
Evtl sogar weniger.
Diese muss ich auf ein Niveau bringen, damit ich mit meinem ATMega8 eine 
zeitliche Messung durchführen kann.

Muss ich die zwingend Gleichrichten? In den Datenblättern vom ATMega 
steht leider wenig über die elektrische Charakteristik. Wenn ja, würde 
es mir auch reichen, die negative Halbwelle einfach "ab zu schneiden".

Weiterhin muss ich die Amplitude ja verstärken. Am besten immer auf ein 
konstantes Niveau, unabhängig vom Eingangspegel. Also Stichwort Schmitt- 
Trigger!?

Gibts dafür möglichst kompakte und energieeffiziente (da alles im 
Batteriebetrieb) Lösung?

Hoffe auf eure Hilfe
Stefan

Autor: STK500-Besitzer (Gast)
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>Gibts dafür möglichst kompakte und energieeffiziente (da alles im
>Batteriebetrieb) Lösung?

Ein Komparator würde dir aus dem Sinus auch ein schönes Rechtecksignal 
machen...

Autor: Stefan654 (Gast)
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Danke schonmal.
Das Problem ist dabei, dass ich nicht genau weiß, wie hoch meine 
Amplitude gerade ist und das bei einer höheren Amplitude auch das 
Rauschen stärker ist, was dann ja zu einem unbeabsichtigten "Schalten" 
führen könnte.

Und ob ich dieses kleine Signal zuvor noch filtern kann... !?

Autor: STK500-Besitzer (Gast)
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Schmalbandiger Bandpass.

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Die Eingangsspannungen (analog o. digital) am ATmega dürfen sich nur 
innerhalb der Versorgungsspannungsgrenzen bewegen - also alles von 
0...+5V geht.
Da Ultraschallsignale eine höhere Frequenz haben, kann man sie über 
einen Kondensator auf z.B. einen Spannungsteiler geben.

          (+) 5V
           |
          | |
          | | R
     C    | |
      ||   |
(E)---||---+----> zum Komparator
      ||   |
          | |
          | | R
          | |
           |
(0)--------+---->
           |
          ---
          GND

Damit Rauschen den Komparator nicht 'beeindrucken' kann, sollte er 
natürlich eine Hysterese haben. Den Umschaltpunkt des Komparators kann 
man dann z.B. auf den gleichen Spannungspegel setzen wie der oben 
beschriebene zum Einkoppeln des Ultraschallsignals. Einem Komparator 
reichen schon die paar Millivolt (eben die 10...50mV) zum Schalten. Man 
könnte noch eine AGC-Schaltung (A_utomatic G_ain C_ontrol) davor setzen, 
aber ich denke der Aufwand dafür wäre hier zu hoch.

Autor: Stefan654 (Gast)
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Das sieht schon mal gut aus. Danke.

Eignet sich da ein normales LM339 als Komparator? Hab nämlich noch einen 
hier rum fliegen....

Autor: Stefan654 (Gast)
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Ach, noch was vergessen.
Der Empfangswandler selbst ist ja elektronisch betrachtet auch nur ein 
Kondensator. Im Datenblatt angegeben mit 2200pF +-20%. Bei den riesen 
Toleranzen lässt sich zB beim Bandpass nur relativ schwer rechnen.

Oder soll ich da einfach einen "viel größeren" Kondensator parallel 
hängen, so dass die Toleranz nicht mehr ins Gewicht fällt?!

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Ultraschallwandler sind häufig Piezo-Elemente (naja, von meinem Bändchen 
in meiner Grönemeyer-Box mal abgesehen, was ein dynamischer Wandler ist, 
d.h. Spule in Magnetfeld, und der dann auch noch bis 100kHz macht :-)) 
).
Das heißt sie erzeugen eine Spannung wenn man den Kristall verbiegt, was 
eben auch mit Schallwellen geht. Das ganze funktioniert umgedreht 
natürlich ebenso, siehe Piezo-Hochtöner und Feuerzeuge (d.h. die, die so 
schön klicken wenn man runterdrückt).
Also auf keinen Fall noch irgendeinen Kondensator parallel dazu 
schalten.

Ja, LM339 geht, wenn er auch 4 Komparatoren enthält und nicht alle 
benutzt werden sollen/können/müssen/dürfen. Ein LM393 hätte derer nur 
zwei im 8-poligen Gehäuse. Aber bedenken, das die (meisten) Komparatoren 
einen sogenannten Open-Collector-Ausgang haben, d.h. sie benötigen einen 
extern zu beschaltenden Last- bzw. Arbeitswiderstand.

Wie das mit der Hysterese laufen soll hast Du hoffentlich schon eruiert, 
oder?!

Autor: Stefan654 (Gast)
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Mein US Wandler ist ein Piezo. Allerdings bin damit nicht wirklich zu 
frieden  :(
Da ich ein wasser- und gas- dichtes Gehäuse benötige, is er natürlich 
auch mechanisch stabiler, dh es sind sehr hoch Spannungen beim Sender 
nötig und das Empfangssignal ist entsprechend schwach.
ZZt benutze ich die MA40E7 Serie
http://www2.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/1...

Falls ihr da bessere Lösungen kennt, immer her damit :)


Um den LM339 mit Hysterese zu betreiben, werde ich einfach die 
Beschaltung aus dem Datenblatt benutzen, steht ja alles drin (s. Anhang)

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Die Beschaltung ist OK. Rref und R1 so wählen, daß es zu dem bereits 
erwähnten Spannungsteiler mit vorgeschaltetem C paßt. Hysterese so groß 
wählen, daß das Rauschen ihn nicht zum Schalten bewegt, aber auch klein 
genug, um die max. notwendige Empfindlichkeit zu erreichen. Aber das 
bekommst Du sicherlich hin.

Bei den (kleinen) Piezo bin ich nicht so bewandert. Hatte mal mehr mit 
den Höchstleistungs-Piezos für Sonar-Anlagen zu tun. Dort war z.B. der 
Bug-Dom des Schiffes mit Wasser geflutet, d.h. die Piezos lagen direkt 
im Wasser und hatten damit die beste Kopplung zum 'Medium'. Hier waren 
die Piezos auch nicht Millimeter- sondern eher Dezimetergroß. ;-)

Allerdings erstaunt mich die Anforderung für ein gas- und 
wasserdichtes Gehäuse, wenn ein akustischer Wandler benutzt wird 
bzw. werden soll/muss?!?

Schon mal diese Aufgabenstellung in Frage gestellt? Oder dem 
Aufgabensteller mal darauf hingewiesen, daß dies zwei Sachen sind, die 
sich nicht wirklich genial miteinander kombinieren lassen?!
HiFi-Messungen mache ich auch nur dann, wenn sich das Micro im gleichen 
Raum wie die Schallquelle befindet und nicht wenn sich das Mikro 
außerhalb der Wohnung befindet! Es sei denn, ich will den Lärmpegel bei 
voll aufgerissener Anlage messen, um festzustellen ob ich damit den 
Nachbarn (überhaupt) ärgern kann.

Autor: Stefan654 (Gast)
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Hallo nochmal,
also ich habe mich heute erst wieder dran gesetzt und ich glaube es ist 
nicht möglich, das Problem mit dem Baustein zu lösen.
Anhand des Schaltplans habe ich mal R1 durch ein Poti ersetzt, um die 
Vref einstellen zu können und bin mit einem Sinusgenerator auf den Vin 
gegangen.
Und bei Vin <40mV ist es schon fast unmöglich, die Vref so genau 
einzustellen einzustellen. Und das, obwohl vom Sinusgenerator ja ein 
"schönes" Signal erzeugt wird.
Wenn mein Vin nun in der Realität nur 15mV (im besten Fall) beträgt, 
brummt und die Ampitude noch stark variiert, muss ich mir wohl was 
besseres einfallen lassen.

D.h. ich werde mein Signal mal über einen Bandpass filtern und mit nem 
Audioverstärker (o.ä.) vorverstärken. Wobei 40kHz und Audio ja auch 
wieder nicht zusammen passt....

>Allerdings erstaunt mich die Anforderung für ein gas- und
>wasserdichtes Gehäuse, wenn ein akustischer Wandler benutzt wird
>bzw. werden soll/muss?!?
Es geht um Distanzmessungen in dieser Umgebung. US Sender und Empfänger 
befinden sich im selben Raum, sogar im selben Gehäuse ;-)
Es gab schon einige Grundsatzdiskussionen, aber ich soll die 
Einsatzmöglichkeiten von Ultraschallwandlern so weit es geht ausschöpfen 
und im Abschlussbericht steht eben, ob ein Einsatz sinnvoll ist oder 
nicht (wobei die wirkliche Alternative einfach fehlt).
Aber darum geht in diesem Thread nicht! ^^

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Ja, das mit dem Filtern ist keine schlechte Idee. Damit kann man 
zumindest ungewollte Frequenzanteile unterdrücken. Aber bedenke, das 
jedes Filter möglicherweise die Phase mehr oder weniger ausgeprägt 
verschiebt. Dies gilt es dann bei der Distanzmessung (ergo 
Laufzeitmessung) zu kompensieren (z.B. durch eine Referenzmessung).

Weiterhin sind Störungen auch durch andere reflektierende Fremdkörper 
denkbar, so daß man sein Empfangsignal möglicherweise 'gaten' muß, d.h. 
nach Aussendung eines Impulses bzw. Impulspaketes muß man den Empfänger 
nach Ablauf der max. zu messenden Distanz (Laufzeit) blind machen, um 
das Messignal nicht durch das 2., 3., oder weitere Echos zu stören. Hier 
entscheidet man selbst, ob man das zuerste eintreffende Signal nimmt 
oder das stärkste reflektierte Signal, oder ..., oder ..., oder ...

Wenn die Distanzmessung auch noch einigermassen präzise sein soll, gilt 
es auch die Lufttemperatur zu messen und in die Formel einzusetzen 
(siehe dazu auch http://de.wikipedia.org/wiki/Schallgeschwindigkeit).

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