此款超声波报警电能精确测量入侵物的距离。因为声波传输速度每秒340m,光波传输每秒3×l0（5）km,从发射到1m外的物体反射到接收,声波经过时间约5.9ms,用周期l00ns电脉冲来计数,含有59000个脉冲。同样距离光只需6.6ns。

主要元器件：发射器部分主要有集成电74HC04、74HC00各一块,超声发射传感器MA40S2S一个。接收器部分主要有集成电TL084、74HC74各一块,超声接收传感器MA40S2R一个。两部分合装在一块印制板上。超声传感器的结构如下图,就像一个缩小的压电陶瓷片,尺寸小了,谐振频率就高了。频率高到20kHz以上,人耳就听不见了,这就是超声。市售的超声传感器常常用在38—40kHz。为了加强收发能力,在陶瓷片前加一个喇叭状共振振子,原理就像喊话的喇叭筒一样。图示是市售常见的型的,在喇叭振子前有一个开孔的外罩。因为孔的尺寸远远小于超声波波长,外罩对声波的作用很小。还有一种防滴漏型超声传感器,外壳密封,陶瓷片按装在外壳内侧。后者的效率不如前者。超声传感器的是电容型的,电容量约1600pF,单用一个CMOS门驱动力不足,一般用2-3个门并联驱动。

工作原理：如上图和下图所示。发射头发出一束40kHz的超声波,其持续时间T1小于1ms而间隔时间达几十毫秒。如果在1m内有人存在,人体吸收了一部分波,反射了一部分波,发射波到达接收头要延迟两个l/340s约5.9ms。和发射同步产生一个"一米脉冲",其脉冲宽度为T2=T1+5.9ms,在T2为高期间,有回波,说明人在1m线高电平期间,即使有回波,就是人在1m以外,不能启动报警。D触发器正好有这个功能,将"一米脉冲"作为D输入,"回波"作为CP,CP上升期间D输入送到Q。图中回波信号1使Q=l,回波信号2使Q=0。

发送器电分析如下图所示。U1为6反相器74HC04,UU,U1_2构成CMOS多谐振荡器,为了做到输出不对称,b点低电平使的充电回和b点高电平使的放电回有差别,a高b低,经过D1,W1,C1充电快。a低b高,经过R2,W1,C1放电慢。a点波形符合"一米脉冲"。调整W1,使其正脉宽为6.6ms左右。

当b点正冲超过VCC+0.7V或负冲低于-0.7V,CMOS输入寄生二极管电流且钳制电压0.7V,加快充放电时间,见下图右上角国内输入等效图。电源电压越高,正负冲越大,电源电压波动会影响振荡频率,串入R1,输入寄生二极管的电流大大减小,减少了电源电压对频率的影响。

从a点的波形中取出前0.7ms成为波形e。第一步,a反相得c,第二步,C3,R3组成微分电。C3把c的上升,下降的突变传输到U1_3的第5脚。R3已将5脚拉高。上升突变对U1_3不起作用,下降突变5脚变低使U1_3反转,VCC通过R3对C3充电,经过约0.693×R3×C3时间回到5脚高。见下图中波形d。第三步,d反相整形得e：低电平多,高电平是窄脉冲。

40kHz振荡器；U1_6,U1-5构成CMOS多谐振荡器,W7调整频率到40kHz。R4的作用是减少电源电压波动影响,C1,C4不能用温度系数大的CT型瓷介电容,最好用CB型聚苯乙烯电容。为什么不能用信号e控制40kHz脉冲振荡器,而要先做连续振荡,然后再通过U2调制？因为CMOS多谐振荡器起振阶段不稳定,而信号e只有0.7ms很窄。总共28个脉冲。还没有稳定就叫停了。波形很不好。

超声驱动级。根据参数,超声发送头最大驱动电压可加20多伏,在SV系统为了提高输出功率的方案为：

1．晶体管驱动,用输出变压器升压方案；2.CMOS门电双相驱动。如果一个驱动门单端输出到超声头,最大的峰-峰值是Vcc,用输入信号相位相反的两个门双相驱动超声头,一会儿是j高k低,一会儿是j低k高,等效峰-峰值是2×Vcc。电压升2倍,输出功率提高4倍。本设计用方案2。U2有4个门,两两并联。当信号e为0,4个门统统输出1,Z1两端电位相同,起阻尼作用,Z1因惯性的振荡输出。信号e为1,U2上两门和下两门的输入信号是相反的,输出j,k。见下图右侧圈内的波形。

接收器电分析：接收头信号峰-峰值约10mV,设计放大150倍,放大器末级输出峰-峰值l.5V,R18/R19+W3分压的直流电平为：1.25~2.4V,启动D触发器CP电平是2.5V,所以所需的附加交流脉冲信号的峰-峰值为1.5~0.lV（最不灵敏到最灵敏）,调节范围很宽。W3不能调到太灵敏。灵敏度太高,多次反射的回波或杂波输入引起误动作。

因为做在一块板上,通过电板,发射头Z1的振动会传到接收头22,而且信号很大。晶体管VT1在发射周期脉冲为1时导通,短22.信号过不来。R20/R21分压1NCC,输入到AL3的10脚,AL3的8、9脚短接形成跟随器,输出低内阻的中心电压vs。这种办法比用2个1K电阻分压得VS好得多。C19起高频旁作用。L1起电源退耦作用,A1:TL084的第4脚,U3:74HC74的14脚接到Vccr端。U3的不用输入端一律也接Vccr端。

5倍增益选频放大器。选用TL084,其引线MHz．单5V时超过500kHz。40kHz最大增益12.5倍,现在做5～6倍没有问题。大家知道：反馈电阻RF．反相端输入电阻RI,如果信号从同相端输入,运算放大器的放大倍数为K=1+RF/RI;反相端输入,K：-RF/RI.上图中,反馈为并联的213、215、217,输入为的212、214、216,ωc=R时,213=5x212,215=5×214,216=5×217,K分别为6,-5,-5。如何计算除,可以用复数的运算,以第一级为例,用矢量图解法非常直观,见下图。

当ωc=R时,OAB是一个等腰三角形,是对角线,并联是中高。直观看出,=2×并联,如①所示。

当频率升高,由②看出,并联213小于1/2x（R13-jωC13）,213/212小于5,定性看,C13减小反馈作用增大,增益减小。当频率降低,由③看出,并联213小于1/2×（R13-j（I）C13）,213/212小于5,定性看的C12增大,反馈增大,增益减小。

由于回的Q很低,电阻电容的误差在5%内,对接收器增益影响不明显。比起高Q的带通滤波器来说,这个电制作调试比较容易。

1m距离判断电。U3是一块双D触发器,这里用其中1/2。R、S端接固定高电平,不起作用。当持续有一串回波信号加到U3的CP端时,从第一个到最后一个脉冲上升时间D的状态都影响Q输出,小于1m,D高,Q输出恒高,刚刚超过1m,Q有零点几毫秒的高长时间为低,以最后一个回波脉冲时D的状态为持续电平。远大于1m,Q输出恒低。调整U3的3脚偏置直流电平,可以调整灵敏度。调节发射器的W1,改变信号a的正脉宽,可以调准到1m。

安装调整。布局主要注意把发射,接收分开。元件较少,布局布线。在调试前先按下图做一个简易毫伏计。接到数字电压表的DC200mV档（或2V档）。数字表读数就是交流信号有效值。测出U1、U2各脚都有输出。

将U13第5脚和地短。即信号d短地,信号e恒高。对ZI40kHz的连续波。将22口对口对准Z1,用毫伏计测接收头的信号电压。调整W2,使输出电压最大。

安装22到接收器输入端。取消信号d短。用一本形成超声反射。由近开始逐步加大距离,毫伏表测Al的各输出端信号。1米处A1_4的14脚有35mV,就是l00mV峰-峰值了。考虑到自制毫伏表的损耗。读数会偏小一点。

在U3的第5脚接一个LED,串1K电阻接地。调W3,使灵敏度较高,然后,调W2,校准l米内反射超声使LED亮,过1m分别调W3,W2,使LED不亮。本警报器就调成了。

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