SE-MRF 초음파 거리계 회로 설명

SE-MRF는 초음파를 송신하여 반사되어 돌아오는 신호를 이용한 거리계 KIT 입니다. 초음파센서는 세라믹 재질로 송신 트랜스듀서와 수신 센서로 분리된 형식을 이용하여 최소 측정거리가 10cm 가능하도록 구성합니다. 한 개의 트랜스듀서로 초음파 거리계를 구성할 때 측정 가능한 최소 측정거리가 30 CM 입니다. 
음파는 초당 343 meter 를 진행합니다. 공기 밀도와 온도에 영향을 받으나 기압에 따른 상관도가 크지 않은 것으로 알려져 있습니다. SE-MRF 는 초당 12 회 정도로 초음파를 발생합니다. 

1. 측정주기 발생
측정 주기는 타이머IC 인 555를 발진회로로 구성합니다. 측정 가능한 최대 거리와 회로내에서 신호처리 시간등을 고려하여 결정합니다. 555의 출력핀(3)에서 300uS 의 좁은 Low 신호와 68mS 의 High 신호가 만들어 집니다. <그림 1>은 555 의 Pin 2 의 파형입니다. 삼각파중 High 에서 Low 로 변하는 구간 300uS 동안만 초음파가 공기 중으로 발사됩니다.  

2. 초음파 발생
초음파 트랜스듀서는 좁은 공진 주파수 특성을 가지고 있습니다. 공진 주파수 대역폭이 좁으면 외부 노이즈는 걸러지는 효과가 있으므로 초음파 주파수를 통과 시키기 위한 별도의 BAND PASS FILTER 회로가 필요치 않습니다. 안정된 발진과 조정이 필요치 않도록 크리스탈 발진기 회로를 구성합니다. 발진회로는 4069UB 게이트2 개와 크리스탈을 사용합니다. 

3. 초음파 송신
시스템 공급 전압이 9V 이므로 초음파 송신 트랜스 듀서에 공급되는 펄스 전압 Peak to Peak 치가 18 V 가 되도록 구성합니다.  4584 슈미트 트리거 인버터를  사용합니다.
<그림 3>는 초음파 송신 센서 (SE-400ST160) 에 걸리는 파형입니다. Peak - Peak 전압을 측정하기 위하여 오실로스코프의 GND 를 세라믹 캐패시터 104 와 초음파 송신 센서와 연결된 곳을 연결하고 측정 프로브를 4584B 의 Pin 2 에 연결하여 측정한 것입니다. 300uS 구간에서 12 개의 초음파 펄스만 공기 중으로 발사 됩니다.

4. 초음파 수신 증폭
수신된 초음파 신호는 매우 작으므로 크게 증폭하여야 합니다. 741 계열의 OP-AMP 인 RC4558 을 이용하여 2 단 증폭합니다. RC4558 은 표준 741 에서 바이어스 오프셋 조정 단자를 생략하고 8 핀 DIP 패키지에 2 개의 OP-AMP 를 내장한 것입니다. 증폭 도는 직류 이득시 단순 계산으로 1000 입니다만 실제로는 이보다 낮습니다.  <그림 4> 는 초음파 수신 센서에서 측정한 파형입니다. 파형의 Peak to Peak 가 28mV 로 작습니다. 측정 대상물의 거리와 재질에 따라서 차이가 많습니다. 

5. 초음파 신호 검파
수신된 초음파 신호는 교류신호 형태이므로 펄스 신호로 변환하여야 합니다. 게르마늄 다이오드인 1N60 은 역 방향 저항 값이 낮아 적합하지 않으며 실리콘 다이오드 1N4148 은 순방향 드롭전압이 크므로 적합하지 않습니다.  검파 회로는 초고주파 검파용 다이오드를 사용합니다. 검파 다이오드 뒤의 캐패시터는 Low Pass Filter 의 역할을 하며 저항은 부하로 작용하여 캐패시터의 축적된 신호를  다음 신호가 오기 전에 방전 시켜 버리는 역할을 합니다. 

6. 펄스신호 변환
비교기 회로에 많이 사용되는 LM393 을 이용합니다.  다이오드와 캐패시터는 초음파 발생구간 (300uS)에 드라이버 회로에서 발생한 송신 펄스가 수신기 회로로 Feed Back되어 들어오는데 이 신호는 원하는 반사파 신호가 아니므로 강제로 차단하기 위하여 사용된 것입니다. 송신 신호가 송신 센서에서 수신 센서로 직접 Feed Back 되는 경로와 회로내의 전원선 (9V, 0V)를 통하여 Feed Back 되어 수신 증폭 OP-AMP 에서 증폭하여 신호를 만듭니다. 이 신호는 비교기(LM393) 에 들어오면 측정 물체로부터 반사된 신호가 아니므로 제거하지 않으면 항상 최단거리를 표시하게 됩니다. 캐패시터 값을 크게 하면 최소측정 거리가 커지게 되며 너무 작으면 오 동작하기 쉬우므로 안정된 동작을 하는 범위에서 결정합니다.  캐패시터를  작은 것으로 교체하면 최소 측정거리가 4 cm 까지도 가능합니다. <그림 7>의 CH2 는 수신된 초음파 신호를 검파하여 측정한 파형입니다.

7. 측정거리 펄스 발생
초음파 거리게는 초음파를 발사한 시각으로 부터 발사한 초음파가 수신되기까지의 시간을 측정하여 거리 값으로 환산한 후 표시합니다. NAND 게이트를 이용하여 R-S플립 플롭회로를 구성합니다. 펄스는 초음파 발사 개시신호(555 타이머IC Pin 3 출력)에 의하여 High 상태로 되며 초음파 수신신호에 의하여 Low 상태가 됩니다. 이 신호의 폭을 거리로 환산하여 표시합니다.  <그림9> 의 CH2 는 4011B 로 구성한 R-S 플립 플롭의 출력파형입니다. 측정 대삼물체가 1.7meter 일 때의 파형입니다. 먼 거리에서 펄스 폭이 확장됩니다. 

8. 측정거리 카운터
측정 거리에 따라 펄스 폭이 가변 되므로 발진회로를 구성하고 펄스 폭 구간만 카운트 하여 이 값을 표시하도록 합니다.  발진회로는 4069UB 게이트와 캐패시터를 이용하여 구성하며 저항 반고정 저항 22K Ohm으로 발진 주파수를 조정합니다. 약 17.2KHz 에서 발진하도록 합니다. <그림 10>은 17.2KHz 발진회로 측정 파형입니다. <그림 12>는 R-S 플립플롭 출력을 미분 회로를 통과하여 상승부와 하강부를 에지 를 측정한 파형입니다. CH1 은 4553 카운터의 리셋신호로 사용되면 CH2 신호는 래치 신호로 사용합니다. 리셋신호부터 래치신호가 있는 구간의 17.2KHz 펄스를 계수한 값이 FND 에 표시됩니다. 

9. 세그먼트 드라이버
멀티플렉스된 BCD 신호와 디지트 선택신호를 이용하여 3 개의 FND 를 구동합니다. 다이나믹 방식으로 FND 를 순차 점등하는 것입니다. 순차 점등하기 위한 주파수는 4553B 카운터 내부의 발진회로를 이용합니다. 발진 주파수는 Pin4 와 Pin3 에 연결된 캐패시터에 의하여 결정됩니다. FND 는 커먼 애노드 입니다. 4543B 는 BCD를 7 세그멘트 패턴으로 변환합니다.