מפתח טווח קולי דיגיטלי
1. הקדמה
גלים קוליים מתפשטים במהירויות שונות בגזים, נוזלים ומוצקים, עם כיווניות טובה, אנרגיה מרוכזת, הנחתה מינימלית במהלך השידור ויכולת השתקפות חזקה. גלים אולטראסוניים יכולים להתפשט במהירות מסוימת וליצור השתקפויות בעת מפגש עם מכשולים. באמצעות מאפיין זה, ניתן לחשב את המרחק בפועל על ידי מדידת הזמן שלוקח לגלים קוליים לעבור הלוך ושוב, ובכך להשיג מדידת מרחק ללא מגע של עצמים. טווח קולי מהיר, נוח ואינו מושפע מגורמים כגון אור. הוא נמצא בשימוש נרחב במדידת רמת נוזלים הידרולוגית, מדידת אתר בנייה, ניטור מיקום באתר, זיהוי מכשולים הפוך ברכב, זיהוי ומיקום מכונות ניידות ותחומים אחרים. מד הטווח הדיגיטלי האולטסוני המתוכנן במאמר זה סופר את כניסת פולסי השעון לתדר מסוים של המונה במהלך זמן ההליכה הלוך ושוב על-קולית, ומציג את מרחק המדידה המתאים.
2. הרכב המעגל ועקרון העבודה של מד טווח קולי
מד הטווח הקולי מורכב ממעגל יצירת קולי, מעגל הגברה קולי, מעגל ספירה ותצוגה.
2.1 מעגל יצירת אולטרסאונד
מעגל יצירת אולטרסאונד. הטיימר הכפול EN556 (U2b) יוצר טריגר מונו-יציב. R6 ו-C6 יוצרים מעגל דיפרנציאלי, שמתפקד באופן הבא: כאשר כפתור S2 נלחץ, הרמה הנמוכה הופכת לפולס ספייק חיובי ושלילי, שעובר דרך VD1 כדי לקבל דופק ספייק שלילי, המפעיל היפוך טריגר מונו-יציב. משך הרמה הגבוהה של הפלט המונו-יציב הוא בערך 1ms, שהם tw ≈ 1.1R5C5 ≈ 1ms. EN556 (U2n) יוצר מתנד רב הרמוני עם תדר תנודה של f1=1/T1 ≈ 1/{0.7 [(R1+R2)+2 (R 3+R4)] C3 ≈ 40kHz. התנודה של המתנד נשלטת על ידי רמת הפלט של ההדק המונו-יציב. כאשר הטריגר המונו-יציב מוציא רמה גבוהה, המתנד הרב-הרמוני מתנודד, פין 5 של EN556 מוציא כ-40 פולסים מלבניים בתדר של 40kHz ומחזור עבודה של כ-50%. בהתחשב בחוסר היציבות של שלב ההתחלה של מתנד רב הרמוני, מתוכננים מספר רב יותר של פולסי פלט. אם מספר פולסי הפלט קטן מדי, עוצמת הפליטה נמוכה ומרחק המדידה קצר. בדיקה חיישן הלחות, צינור חימום חשמלי מנירוסטה PT100 חיישן, מחמם אלומיניום יצוק, שסתום סולנואיד של נוזל חימום, אך מספר הפולסים גבוה מדי ומשך הפליטה ארוך. כאשר המרחק מהאובייקט הנמדד קרוב, רכבת הפולסים לא נפלטה במלואה, מה שגורם להד שנוצר מהפולס הנפלט הראשון להגיע לקצה הקולט, מה שמשפיע על תוצאת הטווח ומגדיל את הנקודה העיוורת של הטווח. ה-U1a~U1e של 74HC04 (U1) יוצרים מעגל הנעת דופק קולי, שיכול להגדיל את משרעת מתח הדופק של החיישן האולטראסוני המניע, לבצע ביעילות המרה חשמלית/אקוסטית, לשפר את היכולת לפלוט גלים קוליים ולהגדיל את מרחק המדידה. הרכבת הפולסים של 40kHz הופכת דרך U1a, ולאחר מכן הופכת דרך הממירים המקבילים U1b ו-U1e; הדרך השנייה היא דרך השלב ההפוך של הממירים המקבילים U1c ו-U1d בדרום.
