Эхолот. Окончательный вариант.  >>  Проблемы роста и их устранение.

Проблемы роста и их устранение.

За пять лет разработки прибор непрерывно совершенствовался. Увеличилась мощность излучения, увеличилась чувствительность приёмника. Кажется, это должно было привести к увеличению возможностей прибора. Но получилось наоборот. При коэффициентах усиления х6 и х36 сигнал от излучателя стал по кратчайшему пути приниматься приёмником и некоторое время вход приёмника не в состоянии принимать сигналы, отражённые от объектов в грунте. Кроме того, звон излучателя после завершения передачи затухает очень долго, на хвосте затухания возникают биения, вызванные разностью частот резонанса излучателя и приёмника. Это приводит к появлению ложных импульсов. Достоверными можно считать только измерения, полученные при коэффициенте усиления Х1, и то не все. В таблицах 1 и 2 показано, при каких вариантах количества импульсов в пачке и коэффициента усиления приёмника измерения достоверны.

Достоверность измерений

Таблица 1.  Воздух, до потолка, 12 В.

 
 Таблица 2.  Воздух, до потолка, 24 В.

Пояснение к таблице. Импульс от прибора отражается от потолка, затем от стола и опять от потолка. Во второй колонке показано, сколько таких импульсов получено.

Первое, что было сделано, - вместо 4, 8 и 16 импульсов в пачке было установлено 2, 4 и 8 импульсов. Судя по таблице, практически все недостоверные измерения при коэффициенте усиления х1 исчезли. Это также повысило разрешающую способность прибора. 

Доработка геолота

 Для устранения выявленного недостатка прибор был доработан. Ниже описан процесс доработки.

1.  Глушение приёмника во время передачи импульса.

 Итак, мы выяснили, что при коэффициентах усиления приёмника х6 и х36 передаваемый сигнал напрямую принимается приёмником, что приводит к появлению ложных импульсов и недостоверной информации. Этот факт усугубляется тем, что обрабатываются только первые пять отражений. Когда начинают приходить отражения от объектов, лимит, как правило, уже исчерпан.

Доработка заключается в том, что во время передачи излучающего импульса вход приёмника закорачивается полевым транзистором на время действия строба, отсекая недостоверную информацию.

Длительность строба для частоты 40 кГц определяется по формуле:

 STR40 = N*25 + 12,5 [мкс],

а для частоты 25 кГц:

 STR25 = N*40 + 20 [мкс],

 Где N – количество импульсов в пачке.

 Расстояние от измерительной головки до отражающего объекта для воздуха, попадающее в мёртвую зону, определяется по формуле:

 для частоты 40 кГц -> Sв = STR40*340*10^-6/2 [м],

 для частоты 25 кГц -> Sв = STR25*340*10^-6/2 [м],

 а для грунта:

для частоты 40 кГц -> Sгр = STR40*2200*10^-6/2 [м]

для частоты 25 кГц -> Sгр = STR25*2200*10^-6/2 [м]

Для понимания, что мы при этом теряем и что получаем, рассмотрим возникающую при доработке мёртвую зону.

Таблица 3.  Мёртвая зона при глушении приёмника во время передачи. 

Реально звон излучателя продолжается как минимум столько же времени, сколько занимает пачка импульсов. Поэтому для надёжного отсечения ложных отражений имеет смысл задержать выключение транзистора ещё на время длительности пачки импульсов. Для каждой пачки это сделать можно, но сложно, а вот на некоторое постоянное время можно добавлением конденсатора в цепь затвора и разрядного резистора. Примем время задержки равным пачке из 8 импульсов, тогда мёртвая зона примет вид, показанный в таблице 4. 

Таблица 4.  Мёртвая зона при введении задержки выключения.

 Если использовать 2, 4, и 8 импульсов в пачке, то мёртвая зона в грунте при блокировании приёмника на время посылки пачки импульсов составит порядка 0,5 м для частоты 40 кГц и порядка 0,75 м для частоты 25 кГц. Если одновременно проводить измерения с блокировкой приёмника и без блокировки, то до расстояния порядка 1 м можно просмотреть грунт на усилении х1, когда нет прямого воздействия излучателя на приёмник. Зато становится возможным получать достоверную информацию при коэффициентах усиления Х6 и Х36.

Схема включения полевого транзистора показана на рисунке 1.

Рис. 1. Схема включения полевого транзистора.

Монтаж схемы показан на рисунке 2.

Рис. 2. Монтажная схема.

Порог включения применяемого транзистора равен 1,05 +,- 0,4 В.

Зарядка конденсатора С1 производится от выхода микросхемы с напряжением 3,3 В через резистор R1 и диод VD1. Падение напряжения на диоде VD1 составляет примерно 0,3 В. Следовательно, конденсатор зарядится до величины U0 = 3,3 – 0,3 = 3,0 В.

Разряд конденсатора происходит через сумму сопротивлений резисторов R1 и R2. Постоянная времени разряда Ꚍ равна произведению сопротивления (R1 + R2) на ёмкость конденсатора С1:

Ꚍ = (R1 + R2)*C1.

Разряд конденсатора происходит по формуле:

U(t) = U0*e^-t/Ꚍ, отсюда:

U(t)/U0 = e^-t/Ꚍ= 1/ e^t/Ꚍ,

U0/U(t) = e^t/Ꚍ,

Ln(U0/U(t)) = t/Ꚍ,

Ꚍ = t/ Ln(U0/U(t)).

В нашем случае t – время задержки, равное 212,5 мкс = 212,5*10^-6 с для частоты 40 кГц и 340 мкс = 340*10^-6 с для частоты 25 кГц, U0 – начальное напряжение 3,0 В, U(t) – пороговое напряжение 1,0 В, U0/U(t) = 3, ln3 = 1,1. тогда для частоты 25 кГц:

Ꚍ₂₅ = (R1 + R2)*C1 = 340*10^-6/1,1 = 309,09*10^-6,

для частоты 40 кГц:

Ꚍ₄₀ = (R1 + R2)*C1 = 212,5*10-6/1,1 = 193,18*10-6,

Примем ёмкость конденсатора C1 равной 0,01 мкФ = 0,01*10^-6 Ф, тогда для частоты 25 кГц:

(R1 + R2)₂₅ = Ꚍ₂₅/С1 = 309,09*10^-6/0,01*10^-6 = 30909 [Ом],

для частоты 40 кГц:

(R1 + R2)₄₀ = Ꚍ₄₀/С1 = 212,5*10-6/0,01*10-6 = 21250 [Ом].

R1 необходим для защиты выхода микроконтроллера от перегрузки. Выбираем его номинал равным 1 кОм в обоих случаях. Тогда R2 для частоты 25 кГц равен 30 кОм, а для частоты 40 кГц – 20 кОм.

Рассчитаем, за какое время зарядится конденсатор C1 от источника напряжением 3,0 В до напряжения порога включения 1,0 В через резистор номиналом в 1 кОм.

Формула для зарядки конденсатора:

U(t) = U0*(1 – e^-t/RC), отсюда

U(t)/U0 = 1 – 1/e^t/RC,

1/e^t/RC = 1 - U(t)/U0,

e^t/RC = 1/(1- U(t)/U0),

t/RC = ln[1/(1- U(t)/U0)],

t = ln[1/(1- U(t)/U0)]*RC = ln[1/(1- 1/3)]*RC = ln[1/(2/3)]*(1*10³*0,01*10^-6) =

= ln1,5*0,01*10^-3 = 0,1761*0,01*10^-3 = 1,761*10^-6 [с] = 1,761 мкс.

За это время звук от излучателя не успеет дойти до приёмника.

Результат. 

Проделанная работа не дала никаких результатов. От слова совсем.

Анализ.

Попробуем проанализировать, что нам мешает.

Устанавливаем прибор на столе и излучаем в потолок. Рассмотрим осциллограммы сигнала в приёмнике. На рисунках 3 - 5 показаны осциллограммы на выходе фильтра при коэффициенте усиления х1 для 2, 4 и 8 импульсов в пачке.

Рис. 3. Осциллограмма сигнала на выходе фильтра при К = х1 и 2 импульсах в пачке.

Рис. 4. Осциллограмма сигнала на выходе фильтра при К = х1 и 4 импульсах в пачке.

Рис. 5. Осциллограмма сигнала на выходе фильтра при К = х1 и 8 импульсах в пачке.

Синим цветом показан строб, по которому производится излучение. На осциллограммах наблюдаем первое и второе отражение сигнала от потолка, затем от стола и опять от потолка. Сигналы от строба до первого отражения и являются ложными импульсами.

На рисунках 6 - 8 показаны осциллограммы на выходе фильтра при коэффициенте усиления х6 для 2, 4 и 8 импульсов в пачке.

Рис. 6. Осциллограмма сигнала на выходе фильтра при К = х6 и 2 импульсах в пачке. 

Рис. 7. Осциллограмма сигнала на выходе фильтра при К = х6 и 4 импульсах в пачке.

Рис. 8. Осциллограмма сигнала на выходе фильтра при К = х6 и 8 импульсах в пачке.

Видим, что при коэффициенте усиления х6 ложные импульсы забивают возможность измерения. Осциллограммы при коэффициенте усиления х36 даже рассматривать не будем. 

Посмотрим теперь сигналы на выходе детектора. На рисунках 9 - 11 показаны осциллограммы при коэффициенте усиления х1 для 2, 4 и 8 импульсов в пачке.

Рис. 9. Осциллограмма сигнала на выходе детектора при К = х1 и 2 импульсах в пачке.

Рис. 10. Осциллограмма сигнала на выходе детектора при К = х1 и 4 импульсах в пачке.

Рис. 11. Осциллограмма сигнала на выходе детектора при К = х1 и 8 импульсах в пачке.

Очевидно, при коэффициентах усиления х6 и х36 осциллограммы можно не рассматривать. 

Попробуем теперь заглушить вход приёмника на некоторое время после посылки импульса. 

Посмотрим сигналы на выходе детектора при глушении входа на 7 мс. На рисунках 12 - 14 показаны осциллограммы при коэффициенте усиления х1 для 2, 4 и 8 импульсов в пачке.

Рис. 12. Осциллограмма сигнала на выходе детектора при К = х1 и 2 импульсах в пачке, при глушении входа на 7 мс.

Рис. 13. Осциллограмма сигнала на выходе детектора при К = х1 и 4 импульсах в пачке, при глушении входа на 7 мс.

Рис. 14. Осциллограмма сигнала на выходе детектора при К = х1 и 8 импульсах в пачке, при глушении входа на 7 мс.

И посмотрим осциллограмму для двух импульсов в пачке при коэффициенте усиления х6.

Рис. 15. Осциллограмма сигнала на выходе детектора при К = х6 и 2 импульсах в пачке, при глушении входа на 7 мс.

Отмечаем, что при глушении входа появляется ложный импульс в начале посылки. Его можно убрать в программе GEOLOT, но при этом количество отображаемых отражений сократится до четырёх.  И ещё становится понятно, что этим методом проблему не исправить.

Пока результаты просмотра осциллограмм подтверждают, что при коэффициенте х1 прибор работает адекватно.

Осциллограммы хорошо показывают, что при увеличении коэффициента усиления уровень помех усиливается, а полезный сигнал ограничивается, вследствие чего отличить его от помех становится труднее.

Если внимательно посмотреть на первые осциллограммы, видно, что основные помехи присутствуют в основном сразу после посылки импульса, а потом уровень помех снижается и отражённые сигналы можно выделить. Но помехи в начале посылки не дают этого сделать. Вот если придумать хитрую АРУ (автоматическую регулировку усиления), которая снижала бы коэффициент усиления при большом количестве помех, и не снижала бы при их отсутствии, получилось бы то, что нам надо. Этим и займёмся. Но надо понимать, в этом случае мы исходим из того, что отражённые сигналы приходят гораздо реже, чем помехи и уровень их выше уровня помех.

Для начала вместо вывода STR на рисунке 1 необходимо подключить выход детектора, а потом правильно выбрать номиналы деталей. И немного изменим схему, как показано на рисунке 16.

Рис. 16. Схема обратной связи.

Опишем назначение деталей.

R3 - если убрать резисторы R2 и R4, очевидно, обратная связь будет включаться, когда уровень помех становится равным напряжению открывания транзистора VT1. Величина резистора R3 вместе с конденсатором C1 определяет время реакции обратной связи на появление помех или полезного сигнала. То есть, если уровень помех начинает превышать порог включения транзистора, коэффициент усиления усилителя будет падать таким образом, чтобы средний уровень помех оставался равным порогу включения транзистора. Номинал резистора R3 должен быть таким, чтобы обеспечить время реакции, при котором после появления полезного сигнала коэффициент усиления снизится только после того, как выходной уровень достигнет своего максимума и продержится некоторое время для надёжного считывания. 

Порог включения транзистора VT1 в среднем равен 1,05 В Это и есть минимальный уровень помех, который может обеспечить схема при наличии только резистора R3. Хотелось бы иметь возможность снизить его хотя бы до уровня 0,2 В, поскольку нижний уровень дискриминатора имеет порог 0,3 В и он постоянно будет срабатывать от помех, показывая ложные сигналы отражения. 

Потенциометр RP1 и резистор R4 позволяют смещать уровень помех в сторону уменьшения. Ток со среднего вывода потенциометра через резистор R4 течёт в резистор R3 и вызывает появления на нём напряжения смещения, которое складывается с напряжением помех. Теперь достижение порога включения происходит при уровне помех меньшем него на напряжение смещения. 

Резистор R2 включается только при появлении полезного сигнала. Он позволяет быстро подтянуть напряжение на конденсаторе C1 через диод VD1 до порога включения транзистора VT1, что позволяет снизить зависимость длительности полезного импульса от номинала резистора R3, оставляя его приоритетным для установления времени реакции для помех, и практически выключить звон после полезного сигнала.  

Осциллограммы сигналов на выходе детектора при коэффициентах усиления х1, х6 и х36, показанные на рисунках 17 - 19, свидетельствуют, что схема на рисунке 16 вполне справляется с поставленной задачей.

Рис. 17. Осциллограмма сигнала на выходе детектора при К = х1 и 2 импульсах в пачке.  

Рис. 18. Осциллограмма сигнала на выходе детектора при К = х6 и 2 импульсах в пачке.  

Рис. 19. Осциллограмма сигнала на выходе детектора при К = х36 и 2 импульсах в пачке.  

Наблюдаем вполне адекватные картинки. При коэффициенте усиления х1 имеем полный импульс первого отражения и часть импульса второго отражения. При коэффициенте усиления х6 имеем полные импульсы первого и второго отражений и часть импульса третьего отражения. При коэффициенте усиления х36 имеем полные импульсы первого, второго и третьего  отражения и часть импульса четвёртого отражения. Первый импульс является ложным. Это надо учитывать при запуске программы GEOLOT.

 Надо понимать, что при измерениях в комнате в воздушной среде отражения звуковой волны происходят не только от потолка и стола, но и от пола, от стен и предметов, расположенных в комнате. Это создаёт гораздо больший уровень помех, чем в грунте, где повторных отражений вообще нет. А если учесть, что обратная связь устанавливает такой коэффициент усиления усилителя, при котором уровень помех равен порогу включения транзистора, за вычетом напряжения смещения на резисторе R3, то понятно, что при меньшем уровне помех в грунте, коэффициент усиления будет выше.

Итак, поставленная цель достигнута. Обеспечена возможность использовать коэффициенты усиления усилителя во всём диапазоне. 

Займёмся теперь реализацией, то есть, доработкой изделия.

Схема обратной связи приведена на рисунке 20.

Рис. 20. Схема обратной связи.

На схеме добавлен диод VD1. На случай, если захочется отключать обратную связь при коэффициенте усиления х1. Хотя лично я не нашёл причины для этого.

Когда выбирается коэффициент усиления х1, уровень сигнала на выводе А0 равн нулю. Транзистор надёжно закрывается через диод VD1.

Схему можно собрать на отдельной печатной плате. Сборочный чертёж показан на рисунке 21.

 Рис. 21. Сборочный чертёж.

Плату обратной связи удобно разместить на плате расширения приёмника, под входной цепью усилителя как показано на рисунке 22. 

 Рис. 22. Размещение платы обратной связи на плате расширения приёмника.

 Провод с вывода IN через отверстие в плате расширения соединить со входом приёмника. 

Файл .pdf, для изготовления печатной платы методом ЛУТ, можно скачать здесь.

При печати установить "Реальный размер". Если для печати используется не Adobe Acrobat Reader, следует убедиться, что программа в состоянии выводить реальный размер.

=В.С.= 27 октября 2026 г  

^ ^ ^