Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Ultraschall Frequenz Spannungswandler


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von Martin H. (dochilli)


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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

von THOR (Gast)


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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.

von Jemin K. (jkam)


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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.

von abc.def (Gast)


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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.

von THOR (Gast)


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Den Mischer hatte ich ja schon vorgeschlagen.

Mir ist gerade aufgefallen, dass der XR2206 dafür ganz gut taugen würde.

von Christoph db1uq K. (christoph_kessler)


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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.

von Erwin D. (Gast)


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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? ;-)

von THOR (Gast)


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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 ;)

von Günter Lenz (Gast)


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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

von THOR (Gast)


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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.

von Erwin D. (Gast)


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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 :-)

von Lurchi (Gast)


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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).

von Jakob (Gast)


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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.

von Lurchi (Gast)


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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.

von Martin H. (dochilli)


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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

von Sven B. (scummos)


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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

von THOR (Gast)


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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.

von Harald W. (wilhelms)


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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...

von Sven B. (scummos)


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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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