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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Ultraschallsensor - Signalaufzeichnung


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Autor: Andreas S. (andi_41)
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Hallo liebe Forum-Mitglieder,

ich betriebe den Ultraschallsensor JSN-SR04T 2.0 (Prinzip gleicht dem 
des HC-SR04) mit Arduino und will mir den Sende- und Empfangszyklus auf 
dem Oszi anschauen.


Kanalbelegung (s. angehängte Bilddatei):

Kanal1 (gelb):
Anregungssignal

Kanal2 (grün):
Echo-Pin

Wenn der Sensor das reflektierte Echo registriert, schaltet der Echo-Pin 
auf LOW, wie im Bild zu sehen ist.

Nun muss ich doch aber auch das empfangene Echo am Kanal1 sehen können 
bzw. irgendwie aufzeichnen können? Aber am Oszi kommt nichts...
Hat jemand Rat?

Gruß
Andreas

Autor: Achim S. (Gast)
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Andreas S. schrieb:
> Nun muss ich doch aber auch das empfangene Echo am Kanal1 sehen können
> bzw. irgendwie aufzeichnen können? Aber am Oszi kommt nichts...
> Hat jemand Rat?

Das Echo ist sehr viel schwächer als der Sendepuls. Da dein Oszi auf 
20V/Kästchen steht, geht das Echo im Rauschen des Oszis unter (und es 
wäre wohl auch ohne Rauschen bei der Einstellung kleiner als ein Pixel 
auf deinem Oszi-Bildschirm).

Autor: Sebastian S. (amateur)
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Hast Du ein digitales Oszi, so sollte das Ganze überhaupt kein Problem 
sein. Einfach mit sinnvoller horizontaler und vertikaler Auflösung 
messen, stoppen/speichern und dann hin- und herschieben.
Bei einem "normalen" Oszi brauchst Du ein Synchronsignal oder einen 
feinfühlig einstellbaren Trigger. Meist kann hierfür das Startsignal 
genommen werden. Hier hilft Dir, dass das Oszi meist schneller ist als 
der Ultraschallwandler.

Autor: Andreas S. (andi_41)
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Danke für die Antowrten.

Das hätte ich vielleicht noch erwähnen sollen. Die Auflösung habe ich 
jetzt verwirrenderweise nur für den Screenshot im Forum gewählt, dass 
man die Signale erkennt.

Ich habe die Auflösung bis <200mV/Div angepasst und bei steigender 
Flanke getriggert und versucht etwas zu erkennen, aber nichts...
Können die 50 Vpp bei 40kHz, das schwache Echosignal übersprechen?

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Achim S. schrieb:
> Da dein Oszi auf
> 20V/Kästchen steht

Na gut, der Empfangskanal steht auf 5V/DIV, aber das ist trotzdem viel 
zu unempfindlich, wenn da kein Vorverstärker dazwischen ist. Aber der 
Spannungssprung ist schon verdächtig, es scheint so, als ob der Sender 
den Empfänger zu stark beeinflusst. Falls das ein Gatesignal sein soll, 
würde ich das erstmal deaktivieren und dem Empfänger frei laufen lassen. 
Da sollte der Sendeburst dann auch deutlich zu sehen sein.
Wenn da z.B. in 1m Entfernung ein Reflektor steht, sollte der Empfänger 
nach etwa 6ms ein Signal sehen.

: Bearbeitet durch User
Autor: Achim S. (Gast)
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Matthias S. schrieb:
> Na gut, der Empfangskanal steht auf 5V/DIV,

Das gilt für den Kanal 2, der den Logikausgang misst. An dem wird direkt 
die Dauer bis zum Echo angezeigt. Der Analogkanal steht - wie gesagt - 
auf 20V/Div, und dort sieht der TO das Sendesignal und sucht das 
Echosignal (das zur negativen Flanke des Logiksignals führt).

Andreas S. schrieb:
> Ich habe die Auflösung bis <200mV/Div angepasst und bei steigender
> Flanke getriggert und versucht etwas zu erkennen,

Triggere auf die fallende Flanke des Logiksignals und stelle das Oszi 
auf die höchstmögliche Empfindlichkeit. Achte auf einen hochimpedanten 
Tastteiler (der verringert zwar die mögliche Empfindlichkeit, aber 
andernfalls erschlägt ggf. die Belastung durch den Tastteiler das 
Signale des Piezos)

Andreas S. schrieb:
> Können die 50 Vpp bei 40kHz, das schwache Echosignal übersprechen?

Das Oszi braucht bei empfindlicherer Einstellung möglicherweise einige 
Zeit, bis es sich von der Übersteuerung durch das Sendesignal erholt. Du 
kannst das verbessern, indem du das Signal zum Oszi begrenzt (also z.B. 
nicht direkt an die Pins des Transceivers gehen, sondern über 
Vorwiderstände, und hinter den Vorwiderständen zwei antiparallele 
Schottky-Dioden - dann sieht das Oszi beim Senden keine 50V sondern nur 
ein paar hundert mV, das Echosignal wird aber dadurch nur wenig 
abgeschwächt.

Autor: Andreas S. (andi_41)
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Als Ergänzung:

Der Empfangskanal ist der Kanal1 (gelb), der Sensor hat zwei Leitungen, 
die ich ohne jegliche Vorschaltung direkt an mein Oszi klemme. Für die 
Ansteuerung der Membran benötigt der Wandler eben diese 50 Vpp 
Rechtecksimpulse die zusätzlich mit dem Übersprechen zu sehen sind.

Der Kanal2 (grün) ist wie gesagt der Echo-Pin und nicht der 
Empfangskanal. Der schaltet nun von HIGH auf LOW, wenn das Echo vom 
Sensor registriert wird.

Autor: Achim S. (Gast)
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Achim S. schrieb:
> Triggere auf die fallende Flanke des Logiksignals und stelle das Oszi
> auf die höchstmögliche Empfindlichkeit.

Ach ja, was auch noch helfen kann: schränke wenn möglich die Bandbreite 
deines Oszis ein. Und wenn es einen Messmodus hat, in dem es mehrere 
aufeinanderfolgende Messwerte mittelt, dann nutze den (heißt je nach 
Hersteller z.B. "enhanced resolution").

Benutze allerdings nicht den "average mode" - der wäre zwar eigentlich 
auch nutzlich, aber er funktioniert nur, wenn die Triggerbedingung 
phasenstarr an deinem US-Echo hängt - was bei deinem Aufbau 
wahrscheinlich nicht ganz einfach zu erreichen ist.

Autor: Andreas S. (andi_41)
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Achim S. schrieb:
> Achte auf einen hochimpedanten
> Tastteiler (der verringert zwar die mögliche Empfindlichkeit, aber
> andernfalls erschlägt ggf. die Belastung durch den Tastteiler das
> Signale des Piezos)

Ich bin ehrlich gesagt mit dem Oszi nicht gerade so bewandert. Was genau 
meinst du mit Tastteiler?
Ja, das mit den Vorwiderständen ist denke ich, eine passable Idee!

Autor: Achim S. (Gast)
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Andreas S. schrieb:
> Ich bin ehrlich gesagt mit dem Oszi nicht gerade so bewandert. Was genau
> meinst du mit Tastteiler?

Sowas:
https://de.wikipedia.org/wiki/Tastkopf
Oder gleich einen aktiven Tastkopf, der in dem Wikipedia Artikel auch 
erwähnt wird (zumindest sein Prinzip).

Die "Leitung" vom Tansceiver zum Oszi und der Oszi-Eingang belasten 
deine Signalquelle. Der Piezo als Empfänger kann keine großen 
kapazitiven Lasten treiben, dadurch reduziert sich das Echo-Signal. 
Deshalb ist z.B. eine normale Koaxleitung dort schlecht, ein Tastteiler 
belastet das Signal deutlich weniger.

Autor: Andreas S. (andi_41)
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Okay, habe ich verstanden, danke!
Vermutlich führt das 2m lange Kabel des Wandlers auch zu Problemen...
Ich kann das Signal leider erst am Kabelende abgreifen. Könnte das daran 
liegen, dass das Echosignal so derart nicht "sichtbar" ist?

Autor: marais (Gast)
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Diese Module arbeiten doch mit getrenntem Sender und Empfänger. Du 
müsstest demnach versuchen, das Signal am Empfangskanal abzurufen (das 
nicht auf die Steckleiste geführt ist). Das Sendeteil kann zwar im 
Prinzip auch empfangen, aber dafür müsste der Eingang nach dem Ende des 
Sendeimpuls hochohmig werden - das ist in dieser Schaltung sicher nicht 
vorgesehen, da unnötig, da ja ein separater Empfänger vorhanden ist.

Alle anderen hier genannten Tips gelten natürlich weiterhin: Bitte 
berücksichtigen, dass das empfangene Signal deutlich schwächer ist als 
das Sendesignal.

Autor: Sebastian S. (amateur)
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Etwas mehr kannst Du herausholen, wenn Du sagst: "Schei* auf das 
Startsignal und zeige mir das sekundäre Signal an". Natürlich reicht 
dann - sinngemäß - das Startsignal bis zur Zimmerdecke, aber Du brauchst 
es doch nur als Startflanke. Das sekundäre Signal bleibt dann aber im 
"Rahmen".

Autor: Achim S. (Gast)
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marais schrieb:
> Diese Module arbeiten doch mit getrenntem Sender und Empfänger.

Bist du sicher? Für mich klingt diese Beschreibung des TO

Andreas S. schrieb:
> Der Empfangskanal ist der Kanal1 (gelb), der Sensor hat zwei Leitungen,
> die ich ohne jegliche Vorschaltung direkt an mein Oszi klemme. Für die
> Ansteuerung der Membran benötigt der Wandler eben diese 50 Vpp

eher so, als wäre es ein Transducer (also Sender und Empfänger in 
einem). Sollten die beiden tatsächlich getrennt sein, ändert das 
natürlich die Lage

Autor: marais (Gast)
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Achim S. schrieb:
>> Diese Module arbeiten doch mit getrenntem Sender und Empfänger.
>
> Bist du sicher? Für mich klingt diese Beschreibung des TO
> eher so, als wäre es ein Transducer (also Sender und Empfänger in
> einem). Sollten die beiden tatsächlich getrennt sein, ändert das
> natürlich die Lage


Also den JSN-SR04T 2.0 kenne ich nicht, aber der HC-SR04 (der lt. TO 
ähnlich ist) hat zwei Piezos.

Autor: Christoph db1uq K. (christoph_kessler)
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erstmal das Datenblatt
https://www.jahankitshop.com/getattach.aspx?id=4635&Type=Product

da kommt doch schon ein Rechteckimpuls mit TTL-Pegel heraus, wenn ich 
das recht verstehe.
Und wie oben schon gesagt wurde, ist das Echo am Sender, wenn der es 
überhaupt empfängt, viel kleiner als das Sendesignal. Wenn auf dem Weg 
zum eigentlichen Schallwandler nichts dazwischen liegt, sollte der als 
Lautsprecher und Mikrofon arbeiten, also wäre theoretische etwas zu 
sehen.

Autor: Andreas S. (andi_41)
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marais schrieb:
> Also den JSN-SR04T 2.0 kenne ich nicht, aber der HC-SR04 (der lt. TO
> ähnlich ist) hat zwei Piezos.

Entschuldigung, da hätte ich mich genauer ausdrücken sollen, ich meinte 
mit "ähnlich" einen ähnlichen Ansteuerungszyklus. Also 10 us 
Trigger-Signal, 8 Ultraschallimpulse, Länge des Logiksignals entspricht 
Entfernung, etc.

Achim S. schrieb:
> eher so, als wäre es ein Transducer (also Sender und Empfänger in
> einem). Sollten die beiden tatsächlich getrennt sein, ändert das
> natürlich die Lage

Genau, der JSN-SR04T 2.0 ist ein Transducer, der sowohl als Sender als 
auch Empfänger arbeitet.

Autor: Andreas S. (andi_41)
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Ich habe nun versucht wie es Achim S. beschrieben hat, mit einem 
Vorwiderstand zur Strombegrenzung und zwei antiparallelen 
Schottky-Dioden den Sendeimpuls des Transducers auf ein ähnliches 
Spannungsniveau wie dem des empfangenen Echos zu bringen.

Der Sendeimpuls beträgt nur noch 500mVpp. Ich habe die höchste 
Empfindlichkeit des Oszis eingestellt, auf die fallende Flanke des 
Logiksignals getriggert, jedoch ist immer noch kein Echo zu sehen, das 
kann doch nicht sein....
Wurde das Echo durch die Schaltung geschwächt? Habe verschiedene Dioden 
und Vorwiderstände ausprobiert.. nichts...
Woran könnte das liegen?

Autor: Achim S. (Gast)
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Andreas S. schrieb:
> Der Sendeimpuls beträgt nur noch 500mVpp.

Nur zur Sicherheit: der Sendeimpuls, der am Transducer ankommt, beträgt 
hoffentlich weiterhin einige 10Vpp (ansonsten würdest du ja das 
Sendesignal massiv abschwächen).

Aber das, was davon am Oszi ankommt, wird auf die 500mVpp begrenzt. 
(Damit du das Oszi im empfindlichsten Bereich betreiben kannst ohne es 
massiv zu übersteuern).

Andreas S. schrieb:
> Habe verschiedene Dioden
> und Vorwiderstände ausprobiert

Nimm Kleinsignaldioden (keine Leistungsdioden)und wähle den 
Vorwiderstand so, dass er zusammen mit der parasitären Kapazität deiner 
Messapparatur noch keine Dämpfungswirkung bei der Frequenz deines 
Ultraschallsignals hat.

Wenn du dann immer noch nichts siehst bleiben als weitere Möglichkeiten:
- Rauschfilterung durch Oszi (wurde oben schon mal beschrieben)
- Vorverstärker vor Oszi mit Bandpasswirkung bei Ultraschallfrequenz
- Messsystem mit höherer Dynamik als das Oszi einsetzen

Autor: Haudrauf (Gast)
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Wenn's derselbe Transducer ist würde ich von einem Signal, das mind. 
50dB schwächer wie der Sender ist ausgehen. Bedeutet um was zu sehen 
muss man den Empfaenger gaten waehrend der Sender sendet. Und entweder 
scharf filtern, oder in Quadratur synchron gleichrichten.
Alternativ, oder plus einen VGA mit dB Ansteuerung verwenden und mit 
einer Rampe nach dem Puls hochfahren.

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