Высокоточный дальномер на компонентах Texas Instruments

Представленное приложение «Дальномер» основано на использовании радиолокационного трансивера в сантиметровом К-диапазоне 24 ГГц. Используемый радиолокационный датчик имеет встроенную антенну приема и передачи. Для точного определения расстояния до объекта и его скорости необходимо использовать хороший радиолокационный датчик и высокопроизводительный аналоговый усилитель. Более того, для управления всем приложением необходим микроконтроллер с низким энергопотреблением и встроенным дельта-сигма АЦП. Принципиальная схема подробно объясняется ниже.

Источник питания - линейный регулятор LDO TPS7A4901

Источником питания для данного приложения является положительный линейный регулятор с ультранизким шумом (15,1 мкВ_RMS, 72 дБ).

Для питания всего приложения достаточно максимального тока нагрузки в 200 мА. Линейный регулятор имеет совместимый с КМОП-логикой вывод разрешения и функцию программируемого мягкого старта, что позволяет создавать индивидуальные решения управления питанием. Другими особенностями являются встроенные ограничители по силе тока и температуре для защиты устройства и системы в аварийных условиях. VIN-вывод регулятора подключается к внешнему источнику питания в 9 В. Выходное напряжение регулятора устанавливается с помощью резисторов R13 и R14 на уровне 3,3 В. Выходное напряжение можно вывести из формулы:

R13 = R14 (V_OUT/V_REF - 1),

где V_REF регулятора, как правило, равно 1,194 В.

Радиолокационный датчик RSM3650

В используемой радиолокационной системе применяется радар с непрерывной волной, работающий на частоте 24 ГГц. Напряжение питания в 3,3 В для трансивера с К-диапазоном должно быть очень стабильным. Упомянутый выше линейный регулятор LDO TPS7A4901 обеспечивает стабильное опорное напряжение. Транзистор T1 используется для включения и выключения напряжения питания датчика RVCC (вывод 1). Ток питания радара равен 29,5 мA. Выходной радиолокационный сигнал появляется на выводе 3 и идет на входной вывод 1 усилителя.

Усилитель

Сначала нам нужно обратить внимание на выбор правильной полосы пропускания и, конечно, на необходимое усиление для низковольтного радиолокационного сигнала (300 мВ). Используемый операционный усилитель (ОУ) MC33078 от Texas Instruments работает в широком диапазоне от одного источника напряжения и с высокой добротностью в полосе до 16 МГц. Сигнал трансивера от радиолокационного датчика поступает с вывода 3 на вход усилителя. Усилитель состоит из двух каскадов с усилением 2х30 дБ и адаптированной полосой пропускания в 1061 Гц. Характеристики усилителя показаны на рисунке 1.

Рис. 1. Характеристики усилителя высокоточного дальномера

Второй каскад позволяет производить дополнительную регулировку уровня чувствительности для калибровки дальномера. Наконец, на выходе ОУ усиленный сигнал (рис. 2) может быть обработан микроконтроллером. Определенная им полоса пропускания зависит от скорости объекта. Например, для измерения расстояния при парковке автомобиля скорость объекта в 25 км/ч соответствует реальным условиям. Высокопроизводительный усилитель позволяет избежать любых ограничений, касающихся отношения «сигнал-шум» трансивера, работающего в К-диапазоне.

Рис. 2. Измерение скорости объекта и расстояния до него

Допплеровская частота характеризует скорость объекта, а расстояние до него может быть определено с помощью амплитуды (АХЧ) отраженного радиолокационного сигнала (рис. 2). Оба параметра измеряются дельта-сигма-преобразователем в используемом микроконтроллере!

Микроконтроллер MSP430AFE253

Сигнал непрерывной радарной волны преобразуется 24-битным дельта-сигма-преобразователем. Дальномер основан на базе микроконтроллера MSP430AFE253 с низким энергопотреблением. Схема применения показана на рисунке 3.

MSP430AFE253 принадлежит к линейке микроконтроллеров серии AFE2x3 от Texas Instruments. Данный микроконтроллер является высокопроизводительным устройством с тремя каналами и тремя независимыми дельта-сигма-преобразователями второго порядка с динамическим диапазоном более 100 дБ. Эта серия микроконтроллеров характеризуется наивысшей точностью результатов и обеспечивает одновременную обработку напряжения и тока. Микроконтроллер оснащен встроенным модулем дельта-сигма-АЦП. В дальномере для согласования уровня радиолокационного сигнала с аналоговым входом дельта-сигма-преобразователя применяется малошумящий усилитель с определенной полосой пропускания и коэффициентом усиления. После подключения питания к приложению с помощью выключателя S1, микроконтроллер подает напряжение на радиолокационный датчик и аналоговый усилитель. Вывод 24 микроконтроллера переходит в высокий уровень и включает T1. Дельта-сигма-преобразователь осуществляет постоянный мониторинг радиолокационного сигнала (рис. 3) на выводе 1 микроконтроллера. Уровень чувствительности можно регулировать с помощью потенциометра P1, расположенного во втором каскаде усилителя. Для определения расстояния в этом приложении мы должны измерять только амплитуду ответного радиолокационного сигнала. Если сигнал сильнее предварительно установленного уровня чувствительности , то начинается расчет расстояния. Если расстояние ≤60 см - загорается первый зеленый светодиод. Каждый светодиод показывает 10 см приближения до препятствия. Это означает, что, если загорелись все светодиоды, то расстояние до объекта равно 20 см. Предварительно заданная дистанция достигнута. Светодиоды LED 1...LED 4 горят зеленым цветом, а LED 5 загорается красным. Все светодиоды управляются выводами 10, 17...20 микроконтроллера. Дальномер является высокоточной измерительной системой с низким шумом. Приложение следует выключить кнопкой S1. При этом питание радиолокационного датчика и усилителя отключается для экономии энергии. Если питание радара выключено полностью - микроконтроллер переходит в энергосберегающий режим.

Почему я использую радиолокационный датчик для измерения расстояния?

Это лучший способ определения радиального движения и простого определения любой скорости движущегося объекта. Более того, радиолокационный датчик очень стабилен в отношении воздействий окружающей среды. Дождь, снег или загрязнения не могут повлиять на измерительную систему.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: [email protected]