Piezo - Ultraschall messen

Da ich ja nur selten auf dem Arduino arbeite (Das Launchpad ist einfach 
schneller und günstiger), würde ich jetzt ungern ein Buch dafür kaufen. 
Hast du (oder hat jemand) einen Alternativschaltplan?

Bin leider ziemlicher Anfänger, von daher habe ich leider auch ziemlich 
viele Fragen ;)

Ulrich schrieb:
> Einfach nur der Parallelwiderstand ist kein guter Schutz gegen
> Überspannung. Eher hilft da ein Reihen-Widerstand und/oder 2 Dioden
> parallel.
Äh, was für Dioden? (Z-Dioden?)

> Welcher Verstärker passt, hängt vom Piezo ab. Das könnte ein
> OP27 (braucht aber deutlich über 5 V)sein, aber ggf. auch ein JFET oder
> ein anderer OP (z.B. OP343).
Kann man eine solche höhere Spannung nicht einfach über diese 
Spannungswandler bereitstellen?

> Eine gute und ggf. auch noch schmalbandige
> Verstärkung kann da noch einiges heraus hohlen.
Ich frag jetzt mal ganz blöd: wie macht man die den schmalbandig (ok, 
Bandpass, aber wie wird der integriert?)

> Ein einfache Version (vor allem für kleine Piezos) wäre etwa ein JFET
> (BF245 oder ähnlich) mit Source an Masse und einem Schwingkreis an
> Drain. Als Schutz 2 Dioden parallel und 1 K vor's Gate, und ein
> Widerstand von z.B. 1 M für den BIAS parallel.
Was für eine Frequenz soll der Schwingkreis denn dann haben, die 
gewünschten ca 20 kHz oder mehr?

> 3,3 V sind recht wenig Spannung für die meisten Piezos, entsprechend
> klein ist ggf. die Leistung. Helfen könnte da gff. eine Spule um damit
> die Resonanzüberhöhung auszunutzen. Der Treiber muss dann aber auch
> entsprechend niederohmig sein.
Jetzt versteh ich gar nichts mehr. Was ist Resonanzüberhöhung?

EDIT:
Geht denn jetzt so ein Transimpedanzverstärker?

Ulrich schrieb:
> Als Schutz am Empfänger Piezo sollten 1N4148 oder ähnliche reichen - die
> begrenzen die Spannung dann auf etwas unter +-1 V. So viel Signal wird
> man normalerweise eher nicht bekommen.
Ok

> Einen schmalbandigen Verstärker kann man z.B. mit einem Schwingkreis
> aufbauen. Das ist bei 20 kHz nicht so ganz einfach (braucht relativ
> große Induktivität), geht aber schon. Den Schwingkreis stimmt man
> natürlich auf die Empfangsfrequenz ab. Alternativ kann man auch eine
> aktiven Filter mit OP aufbauen - auch das geht bei 20 kHz noch. So super
> Schmalbandig muss es nicht sein, es sollten nur die ganz niedrigen
> Frequenzen raus, damit man nicht so viel 100 Hz und ähnliches rein
> bekommt. Da reicht es ggf. auch schon aus die Koppelkondensatoren usw.
> passend zu wählen. Wenn der Verstärker dann von z.B. 5 kHz bis 50 kHz
> geht ist das auch schon ganz gut.
>
> Der Piezo wirkt als eine Kapazitive Last (zumindest außerhalb der
> Resonanz) - zusammen mit einer Induktivität in Reihe hätte man dann
> einen Serienschwingkreis. In der Resonanz kann die Spannung an Piezo
> dann auch deutlich über die 3,3 V gehen - den Preis den man dafür
> bezahlt ist, das der Treiber recht viel Strom liefern muss. Es gibt aber
> auch andere Möglichkeiten auf mehr Spannung zu kommen, etwa mit einem
> RS232 Treiber mit interner Ladungspumpe (z.B. max232 bei 5 V) um auf
> etwa +-10 V. Mit 2 Kanälen als Brücke wäre man da schon bei fast 40 V
> Spitze-Spitze, sofern der Strom ausreicht.

Ich denke mal, dass der auf dieser Website mit "Inverting Band Pass 
Filter" beschriebene Schaltplan sozusagen zwei fliegen mit einer Klpaae 
erschlägt, sprich ich habe einen Bandpass, eine Verstärkung und einen 
Impedanzwandler.

kenny schrieb:
> Das was du vor hast ist als Laie schon sehr komplex.
>
> Durch meinem aktuellen Projekt ( frei programmierbarer Turnier Dart
> Automat)
> habe ich mich auch mit Sonar beschäftigen müssen.
> In meinem Fall werden 2 ICs ( TL 851 und TL 852), ein  Trafo und ein
> Transducer genutzt (40kHz), die Steuerung der Messungen und die
> Auswertung erfolgt per PIC16f887.
>
>
> Evlt eignen sich für dich eher fertige Sonar Module, das hängt stark vom
> Anwedungsgebiet ab.

Mein Ziel ist es, nachher ein Signal von A nach B zu verschicken und 
nicht so etwas wie Laufzeiten oä zu messen. Dass es kompliziert wird, 
merke ich gerade...

Nachtrag: Hier der Link zu "der Website": 
http://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_7.html

Habe den dort gelisteten Schaltplan mal in LTSpice simuliert mit 
folgenden Daten:
Av ist ideal
R_1 = 36 Ohm
C_1 = 1uF
R_2 = 510 Ohm
C_2 = 10nF

Damit ergibt sich:
f_l ~ 4823Hz
f_h ~ 31206Hz
Verstärkung ~ 14.17

Für den Piezo habe ich bis jetzt nur eine Spannungsquelle genommen, muss 
ich da noch weiteres beachten?

Die Kurve scheint mir irgendwie komisch, da sie hinter 30kHz nur sehr 
langsam sinkt, was ja eher unerwünscht ist.

Anbei die Simulation.

So, habe meine Simulation mal kurz verbessert. Für den Piezo benutzte 
ich jetzt eine Spannungsquelle und einen Kondensator mit einem 1nF 
Kapazität.
Für den OPV verwende ich jetzt eine Versorgung von +/- 15V. Wenn die 
Kurve so normal ist, scheint die Simulation ja so weit zu klappen.
Meine ausgerechnete Resonanzfrequenz liegt jetzt bei ca 22kHz, also ganz 
ok.
Grenzfrequenzen sind ~15915Hz und ~22286Hz.

EDIT: Als C_1 benutzte ich jetzt die Kapazität in dem Piezo.

Nachtrag: Wie muss die Diode denn geschaltet werden? Irgendwo stand 
antiparallel, aber wozu?

Ok. Was für einen Wiederstand braucht man denn?

Wie soll das denn mit einer nicht invertierenden Schaltung gehen, wenn 
ich vor dem Eingang keinen Wiederstand haben will? Kommt der Bandpass 
dann als passives Element dahinter?

Wenn bei der invertierenden Schaltung kein Widerstand am Eingang 
verwendet wird, dann ist es im Prinzip der klassische Ladungsverstärker 
(Den die Elementarteilchen-Physiker mit Gaußpulsen so gerne verwenden). 
Außerdem hat man im Sensor eigentlich immer einen wenn auch eventuell 
kleinen Widerstand. Der reale Betrieb ist also immer Mischbetrieb.

Ich versuche mal einen Ladungsverstärker zu simulieren. Reicht es, wenn 
ich für den Piezo wieder eine Spannungsquelle mit Kapazität verwende?

Was ist es denn für ein Piezo? Also wie sieht das Ersatzschaltbild aus? 
Du mußt im Ladungsverstärker dann noch eine Gegenkopplungskapazität 
einbauen.

Ich weiß momentan nicht, was besser funktionieren würde. Tippe aber eher 
auf klassischen Bandpaß. Das ist doch Datenübertragung, oder?

Hab den Ladungsverstärker noch nicht simuliert, aber mal den 
nicht-invertierenden Verstärker mit Hochpass davor und Tiefpass 
dahinter. Ich habe auch versucht, die Dioden mit zu verbauen, jedoch 
scheinen die so nicht richtig zu funktionieren, da ich ja eine 5V 
Amplitude habe und trotzdem hinten nachher das normal vierfache davon 
messe (20V) obwohl die Dioden die Spannung ja begrenzen sollen. Liegt 
das daran, dass die Dioden bei der Frequenz einfach nicht mitkommen? 
(Obwohl sie Highspeed heißen?)

Rote  Kurve: direkt hinter der AC Spannungsquelle (Referenz)
Grüne Kurve: hinter dem OPV
Blaue Kurve: hinter dem Tiefpass (Ausgang)

Vermutlich wird die Sim als TRAN nicht funzen, denn am OpAmp müssen + 
und - vertauscht werden. 51K am Ausgang? Irgendwie alles wirr! 
Bildformate.

Die Dioden wären schon ok, nur in einer AC-Analyse wird deren Begrenzung 
nicht mitsimuliert. ALLES ist dort vollkommen linear!!

Such dir doch eine offensichtlich funktionierende Vorlage.

So, habe meine Schaltung nochmal überarbeitet (Ich komme leider erst 
nach den Osterferien dazu sie zu testen).
- Ausgangswiederstand verringert
- Wiederstand des Spannungsteilers erhöht -> weniger Stromfluss (es 
existiert ja (im Idealfall) keine Last)

Sorry, habe ich vergessen. Hier ist es verbessert.

Habe nun nochmal den Transient-Mode getestet, bin aber irgendwie gerade 
verdutzt, da die Ausgangsspannung auch in den negativen Bereich pendelt, 
obwohl die Eingangsspannung konstant > 0V ist. Eine weitere Messung hat 
ergeben, dass die Spannung direkt hinter C1 schon teilweise negativ ist.

Das heißt also, dass die Schaltung sich genau so verhält wie sie es tun 
würde wenn man sie so aufbaut, allerdings noch nicht ganz genau das ist 
was ich brauche, da ich einen gewissen Offset brauche, sodass das Signal 
konstant über 0V bleibt, da ich nichts anderes mit meinem uC messen 
kann. Wie heißt eine Schaltung, die dies bewirkt?

PS: Die Dioden scheinen doch zu funktionieren, jetzt wo ich den OPV 
gedreht habe, da ich bei einer 110V Amplitude hinten nur meine 
gewünschten 2.5V Amplituden bekomme.

Einen Offset kann man bei der Schaltung relativ leicht erhalten, indem 
man einen weiteren Widerstand (so groß wie R2) vom Inv. Eingang des OPs 
nach +5 V dazu nimmt. Damit die Verstärkung nicht größer wird dann noch 
R1 halbieren. Ein passender Wert für R2 wäre etwa 1 K, 100 K wie oben im 
Plan ist viel zu groß und gibt viel zusätzliches Rauschen.

Mit den von Ulrich H. vorgeschlagenen Änderungen liegt das Signal so 
zwischen -10V und -12.5V Volt, also habe ich erst mal die Spannung von 
V4(neu) invertiert, sodass ich auf 10-12.5V kam. Als ich dann (durch 
Ausprobieren muss ich gestehen, leider kein genialer Gedanke oder so) 
die Spannung von V4 auf 1V verringert habe, bekam ich ein Signal 
zwischen 0 und 5V... Wieso?

Der Vorschalg war tatsächlich in die Falsche Richtung. Passend wäre es 
an den Eingang eine kleine Positive Spannung einzukoppeln. Also etwa 
noch einmal 100 K nach + 5 V. Die kleine DC Vorspannung sollte den Piezo 
nichts ausmachen. Bei viel Verstärkung könnte es hilfreich sein die DC 
Verstärkung auf 1 zu begrenzen indem in Reihe zu R2 noch ein Kondensator 
ist. Das macht die Einstellung des DC Punktes noch etwas stabiler.

Mein Problem mit den bisher vorgeschlagenen Lösungen ist immer, dass 
diese Sinusform verloren geht. Da ich später das Signal mit einer FFT 
oder evtl. einem Goertzel auswerten will, weiß ich nicht ob das klappt, 
wenn man keinen Sinus sondern eine Dreiecksspannnung oder so vorliegen 
hat. Im Moment kommt nämlich (zumindestens im Sim) ein sehr regelmäßiger 
Sinus raus.

Das Problem an dem Addierer ist eben, dass er invertiert. Mit einem 
invertierenden "Verstärker" dahinter mit v=1 ging das zwar, aber da sind 
dann schon wieder jede Menge Wiederstände auf dem Weg, sodass das 
Rauschen wahrscheinlich stark zunimmt...

Solange das Signal nicht durch die Dioden begrenzt wird, bleibt die 
Wellenfrom (z.B. Sinus) erhalten. Mit einem relativ langsamen OP könnte 
ggf. noch die Slew Rate ein großes Signal verzerren.

So etwas wie der Goertzelalgorithmus erkennt auch noch ein Dreieck oder 
ähnliches - es wird halt nur die Amplitude der Grundwelle bestimmt. Beim 
Dreieck ist das aber noch der größte Teil.

Eine 2. Stufe dahinter verursacht in der Regel nur minimal höheres 
Rauschen. Da das Signal schon einmal deutlich (z.B. 10 fach) verstärkt 
ist, und das Rauschen sich Quadratisch addiert ist das Rauschen der 2. 
Stufe dann schon fast zu vernachlässigen. Es ist auch nicht die Zahl der 
Widerstände die für das Rauschen verantwortlich ist, sondern der Wert 
und die Wirkung in der Schaltung. Den richtigen DC Level legt man am 
besten über einen Kondensatorkopplung am Ausgang fest.

In der vorgeschlagenen Schaltung mit dem LT1128 als OP, dominiert z.B. 
das Stromrauschen des OPs. Von den Widerständen stören da am ehesten 
noch R2 und R5 (rauschmäßig parallel). Da wäre z.B. ein OP mit JFETs die 
bessere Lösung, einfacher (und wohl auch Rauschärmer) noch eine 
Verstärkung mit diskretem JFET.

Das mit der Spannungsquelle über 100k einhängen hat bei mir dann Proleme 
verursacht, wenn ich die Amplitude des signals auf 90V gesetzt habe, 
weil dann die Spannung am Ausgang teilweise negativ war (was meinen uC 
beschädigen würde). Bei einer Amplitude von 1V kam dagegen ein nicht 
ganz regelmäßiger Sinus zwischen 0.3v und 3V raus, also ziemlich optimal 
(man kann jetzt natürlich noch ein bisschen am Wiederstand fummeln, um 
die Bandbreite des ADC perfekt auszunutzen).

Dann habe ich mich auch noch an eine Noise-Simulation gesetzt, jedoch 
kann ich mit der Einheit nichts anfangen:
V / Hz1/2
Was heißt die?

Nachtrag: Meine Eingangsspannung liegt bei einem Signal von 1V bei 
lediglich 500mV, von daher wäre es vielleicht hilfreich, den 
Überspannungsschutz entpsrechend zu dimensionieren, weil dann auch nie 
mehr als 500mV verstärkt werden würden, sodass ich auch nicht mehr die 
negativen Spannungsspitzen bekomme.

Meß lieber nochmals nach. Dein Piezo ist nach deiner Aussage der Falsche 
und soll 500mV bringen? Niemals!

Ich kann leider momentan (Ferien) meinen Piezo nicht vermessen, weswegen 
ich wahrscheinlich meine Schaltung sowieso nach den Ferien neu 
dimensionieren werden muss.

Der Piezo, der momentan in der Schule liegt, hat auch nur eine 
Resonanzfrequenz von 10kHz, was natürlich nicht unserem Anwendungsgebiet 
entspricht, weswegen er sich wahrscheinlich auch noch ändern wird. Ich 
vermute mal, dass bei einem Piezo mit 20kHz Resonanzfrequenz, der ja 
dann deutlich kleiner wäre, auch die Kapazität schrumpft.

Du mußt den Piezo ERSTmal an das Medium koppeln! DANN kannst du die 
Resonanzfrequenz messen. Alles andere ist sinnleer.

Ok. Was mich trotzdem interessieren würde wäre, was es mit dieser 
Einheit (s.o.) auf sich hat.

Das ist das Rauschen bezogen auf eine Spektrumeinheit. Wenn du das über 
einen Frequenzbereich integrierst, bekommst du den Effektivwert. Würde 
dein Signal (hart gefiltert an den Grenzen des gewählten 
Frequenzbereichs) durch ein frequenzunabhängiges Meßgerät gemessen, 
würde dieses dann diesen Effektivwert anzeigen.
Integrier das Rauschen über deine gewählte Bandbreite des gesendeten 
Nutzsignals. Wenns weniger wird durch Schaltungsveränderungen, dann ist 
es besser. Aber dazu bräuchtest du mindestens die Kapazität des Piezos.