Hallo! Ich bin Elektronik-Anfänger und habe folgendes Problem: Mit einem Ultraschallsystem wollen wir die Geschwindigkeit eines laufenden Menschen bestimmen. Dazu wird ein US-Sender (reichelt.de; mit ca. 15 m Reichweite; 40 kHz) am Läufer angebracht. Ein US-Empfänger steht stationär hinter dem Läufer. Am Sender wird die anliegende Schaltung verwendet, die einem Conrad Ultraschall Lernpaket entnommen wurde. Ich habe sie auch schon aufgebaut und sie funktioniert. An der Empfängerkapsel kann man selbst ohne Schaltung schon ein Sinussignal sehen, wenn man den Sender sehr dicht davor hält. Am Empfänger soll natürlich eine Schaltung mit einem Verstärker verwendet werden. Die Schaltung kommt auch aus dem Conrad Paket. Um die Laufgeschwindigkeit zu berechnen, wird das Dopplerprinzip verwendet. Berechnet man nach diesem die Frequenzverschiebung, so kommt man bei 10m/s auf eine Veränderung um ca. 1200 Hz (also auf ca. 38800 Hz). Mein Problem ist jetzt, dass ich aus der Frequenz eine Spannung machen möchte, die proportional zur Geschwindigkeit ist. Ich kann mit meinem nachgeschalteten AD-Wandler im Bereich -10 bis +10 Volt mit 14 bit Auflösung messen. Meine Suche nach Frequenz-Spannungswandlern (z.B. LM2907) ergibt jetzt aber immer das Problem, dass wegen der hohen Ausgangsfrequenz (40 kHz), die Veränderungen der Spannungen nur sehr klein sind und sich damit die Ausgangsspannung von z.B. 9V (40 Khz) auf 8,7 V (38,8 kHz) verändert. Damit ist eine wirklich genaue Messung natürlich nicht möglich. Ich müßte daher irgendwie die Differenz zwischen den beiden Frequenzen als Spannung bekommen. In meinem Fall wären also 40000 Hz=0 m/s und 38800 Hz=10 m/s. Und optimalerweise entspräche das z.B. einer Spannung von 0 und 10 V. Hat jemand eine Idee, wie man das machen könnte? Da ich noch nicht sehr bewandert in Elektronik bin, wäre ich dankbar für einen konkreten Schaltungsentwurf. Viele Grüße Martin
Angehängte Dateien:
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US_Sender.gif
28 KB
Wie man das üblicherweise löst weiss ich nicht, aber meine Vorschläge wären: - Auf geringe Frequenz runtermischen, dann auf AD-Wandler - mehrere Butterworth Filter nachschalten, dann Hüllkurvendemodulator, dann AD-Wandler Martin H. schrieb: > Da ich noch > nicht sehr bewandert in Elektronik bin, wäre ich dankbar für einen > konkreten Schaltungsentwurf. Ja, fertige Schaltungen will jeder. Ich würde auch gern einfach meine Anforderungen in nen leeren Raum rufen und ne fertige Schaltung kommt raus. Am besten noch mit fertig bestückter Platine.
Das ist nicht trivial. Die einfachste Möglichkeit ist vermutlich, das Signal regulär über einen Opamp zu verstärken und dann durch einen Bandpass um Deine 40 kHz zu schicken, der es zugleich weiter verstärkt. Wenn Du dann einen annehmbaren Pegel hast, kannst Du ihn auf einen Komparator eines Mikrocontrollers, im schlimmsten Fall Arduino, geben und die Interruptfrequenz bestimmen. Dann hast Du direkt den Wert für die Frequenz und musst keine Umwege gehen. Ob das aber funktioniert, sei mal dahingestellt. Ich vermute, dass es Probleme mit Störungen geben wird.
Hab ich vor ein paar Jahrzehnten einmal gemacht. Dabei beteiligt war der AM-Radio Schaltkreis 'A440', den es aktuell nicht mehr gibt, und das Schaltbild habe ich leider auch nicht mehr. 1. Oszillator auf die Sendefrequenz 40kHz abstimmen, Sender damit speisen, der interne Mischer des AM-Schaltkreises wird auch davon versorgt. 2. Empfänger kommt an den Antenneneingang, wird dort verstärkt und geht auch in den Mischer. 3. Das Ergebnis des Mischers auf einen Tiefpaß 1kHz, und schon hast Du die Differenzfrequenz. 4. Das könnte schon fast im µC ausgewertet werden: zB mit Sampling 30Hz, eine Variable vorhalten und abwechselnd einen Messwert addieren, einen subtrahieren undsoweiter. Damit kannst Du relativ gut die 15Hz detektieren (Alias-Effekte einmal beiseitegestellt)(eigentlich braucht es einen Quadratur-Empfänger, aber das führt im 1. Schritt zuweit). Willst Du 14 Hz detektieren, dann nimm die Samplerate 28Hz undsoweiter. Am besten eine derartige Messreihe zum PC übertragen und als Kurve anschauen, und dann weiter überlegen. Daß ein Anfänger jetzt daraus nicht schlau wird, ist mir klar, aber vielleicht regt es die Diskussion an.
Den Mischer hatte ich ja schon vorgeschlagen. Mir ist gerade aufgefallen, dass der XR2206 dafür ganz gut taugen würde.
Die normalen Geschwindigkeits-Radars (kann man auch mit Ultraschall machen, die Wellenlängen liegen in der gleichen Gegend) haben Sender und Empfänger am selben Ort. Damit mischt sich automatisch das ausgesendete Signal mit dem empfangenen. Jede nichtlineare Schaltung, bei Radar eine Detektordiode, bildet aus den beiden die Differenzfrequenz im Niederfrequenzbereich. Die variiert dann genügend stark um einen LM2907 zu benutzen.
Christoph K. schrieb: > Die normalen Geschwindigkeits-Radars (kann man auch mit Ultraschall > machen, die Wellenlängen liegen in der gleichen Gegend) haben Sender und > Empfänger am selben Ort. Ich vermute mal, hier hast du bestimmt was anderes gemeint. Radar und Ultraschall unterscheiden sich schon ein klein wenig in der Wellenlänge, oder? ;-)
Noch ne lustige Idee: Man könnte das Signal direkt auf den ADC geben und den mit exakt 40kHz abtasten lassen. Die Dopplerfrequenz fällt dann aus dem Abtasttheorem raus. Und es gibt absolut genialen Programmcode: Einer der sich darauf verlässt, dass das Nyquisttheorem verletzt wird ;)
abc.def schrieb: >Dabei beteiligt war der >AM-Radio Schaltkreis 'A440', den es aktuell nicht mehr gibt, A244 = TCA440 Den gibt es noch. https://www-user.tu-chemnitz.de/~heha/basteln/Konsumg%C3%BCter/DDR-Halbleiter/ http://www.box73.de/advanced_search_result.php?keywords=tca440&x=0&y=0
Erwin D. schrieb: > Christoph K. schrieb: >> Die normalen Geschwindigkeits-Radars (kann man auch mit Ultraschall >> machen, die Wellenlängen liegen in der gleichen Gegend) haben Sender und >> Empfänger am selben Ort. > > Ich vermute mal, hier hast du bestimmt was anderes gemeint. Radar und > Ultraschall unterscheiden sich schon ein klein wenig in der Wellenlänge, > oder? ;-) Radar ist 1mm bis 1cm, Ultraschall 343m/s/40000Hz = 8mm.
THOR schrieb: > Erwin D. schrieb: >> Christoph K. schrieb: >>> Die normalen Geschwindigkeits-Radars (kann man auch mit Ultraschall >>> machen, die Wellenlängen liegen in der gleichen Gegend) haben Sender und >>> Empfänger am selben Ort. >> >> Ich vermute mal, hier hast du bestimmt was anderes gemeint. Radar und >> Ultraschall unterscheiden sich schon ein klein wenig in der Wellenlänge, >> oder? ;-) > > Radar ist 1mm bis 1cm, Ultraschall 343m/s/40000Hz = 8mm. Oh Mann, stimmt. Es geht ja um Licht- und Schallgeschwindigkeit. Asche auf mein ohnehin schon graues Haupt :-)
Wenn man damit nachher sowieso auf einen ADC - µC geht, kann man auch besser gleich das Signal im µC auswerten. Da spart man sich den Umweg frequenz - Spannung und kann auch besser auf schwache Signale reagieren. Ich würde auch runter mischen auf eine Frequenz (z.B. 1-5 kHz), die dem ADC mehr entgegen kommt, aber ggf. doch mehr als 30 Hz - schon um von 50 / 100 Hz weg zu kommen. Das runter mischen auf eine sehr niedrige Frequenz (ggf. auch nominal 0) kann dann immer noch numerisch machen und sich so gleich ein I/Q Signal besorgen. Wenn es für so etwas wie einen Versuch in der Schule sein soll, könnte man z.B. das in den kHz Bereich gemischte Signal per Soundkarte aufzeichnen und dann wie ein Soundfile auswerte (ggf. FFT oder ähnlich).
Ganz einfach: Du überträgst die US-Frequenz per Funk vom Läufer zur Mess-Station (wird nur um 1/1000000 vom Dopplereffekt beeinflusst) und mischst sie mit dem Signal vom US-Mikrofon. Die Doppler-Frequenzänderung durch die Bewegung des Läufers kommt dabei als Differenzfrequenz aus deinem Messempfänger. 0 Hz = Stillstand des Läufers.
Wenn die US Frequenz per Quartz erzeugt wird, sollte die Drift der Frequenz kein so großes Problem sein. Da hat man schon eher Probleme mit der Ausrichtung des Senders (die sind ggf. relativ stark gerichtet) und Reflexionen (etwa am Boden). Auch die Änderung der Schallgeschwindigkeit auf Grund der Temperatur macht einen Unterschied.
So, erstmal vielen Dank für die vielen Beiträge. Es sieht jetzt wohl so aus, dass wir die Frequenz direkt mit einem Microcontroller erfassen. Das erspart dann das mischen und die Frequenz-Spannungswandlung. Der bisher vorgesehene AD-Wandler (NI 6009) für den ursprünglich nachgeschalteten PC schafft leider die Frequenzmessung nicht in der Größenordnung. Daher waren wir auf die Idee mit der Frequenz-Spannungswandlung gekommen. Insofern bietet sich dann doch der Microcontroller an. Viele Grüße und nochmals Danke für die Hilfe! Martin
Du kannst auch einen Bandpass bauen und den ADC mit niedrigerer Abtastrate als die nominal benötigten 80 kHz betreiben. Siehe https://de.wikipedia.org/wiki/Unterabtastung
Sven B. schrieb: > Du kannst auch einen Bandpass bauen und den ADC mit niedrigerer > Abtastrate als die nominal benötigten 80 kHz betreiben. Siehe > https://de.wikipedia.org/wiki/Unterabtastung Das hatte ich so ähnlich auch schon vorgeschlagen, wusste aber nicht dass mit Bandpass das Abtasttheorem nicht verletzt wird. Wenns funktioniert ist es die eleganteste Lösung.
Martin H. schrieb: > Das erspart dann das mischen und die Frequenz-Spannungswandlung. > Der bisher vorgesehene AD-Wandler (NI 6009) für den ursprünglich > nachgeschalteten PC schafft leider die Frequenzmessung nicht in der > Größenordnung. Daher waren wir auf die Idee mit der > Frequenz-Spannungswandlung gekommen. Naja, der Ni 6009 dürfte wohl gegenüber einem f-U-Wandler mindestens die zehnfache Genauigkeit bringen. Aber jedem das seine...
THOR schrieb: > Sven B. schrieb: >> Du kannst auch einen Bandpass bauen und den ADC mit niedrigerer >> Abtastrate als die nominal benötigten 80 kHz betreiben. Siehe >> https://de.wikipedia.org/wiki/Unterabtastung > > Das hatte ich so ähnlich auch schon vorgeschlagen, wusste aber nicht > dass mit Bandpass das Abtasttheorem nicht verletzt wird. > > Wenns funktioniert ist es die eleganteste Lösung. Genau, Abtasttheorem befasst sich nur mit der Bandbreite, nicht mit der höchsten vorkommenden Frequenz. Das funktioniert gut, man muss nur darauf achten dass der ADC die nötige Analogbandbreite hat (es gibt ADCs, bei denen die deutlich höher ist als die halbe Samplerate, es gibt aber auch andere).
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