מד מרחק בעל דיוק גבוה

היישום המוצג כאן, הנקרא מד מרחק, ממומש עם מקמ”ש מכ”מ בפס-K של 24 ג’יגה-הרץ. חיישן המכ”מ שבו משתמשים מציע אנטנה לשידור וקליטה על שבב. על מנת לגלות את המרחק והמהירות של עצם, יש צורך בחיישן מכ”מ טוב ובמגבר אנלוגי בעל ביצועים גבוהים. יתר על כן, חייבים שיהיה גם בקר מיקרו להספק נמוך עם ממיר סיגמה דלתא מומש, על מנת לבקר את כל היישום. בהמשך תיאור מפורט של התרשים הזה.

ספק כוח LDO
דגם TPS7A4901
היישום מופעל דרך מייצב מתח ליניארי חיובי בעל רעש נמוך במיוחד (15.1 מיקרו-וולט RMS 72dB).
די בעומס הזרם המרבי של 200 מילי-אמפר של המייצב, על מנת לספק את כל היישום. מייצב המתח הליניארי כולל פין איפשור תואם רמת לוגיקה CMOS ופונקצית התחלה רכה ניתנת לתכנות עם קבל, שמאפשר אופני ניהול הספקים בהתאמה אישית. תכונות נוספות שקיימות כוללות מגבלת זרם מובנית והגנה של כיבוי תרמי, כדי להגן באופן בטיחותי על ההתקן והמערכת, כאשר מתרחשים תנאים של תקלה. הפין VIN של מייצב LDO נדחף ממקור אספקת מתח חיצוני של 9 וולט. מתח המוצא של מייצב LDO נקבע עם R13 ו-R14 ל-3.3 וולט. את מתח המוצא אפשר לחשב בעזרת המשוואה הבאה. מתח הייחוס -VREF – הפנימי של מייצב LDO יהיה בדרך כלל 1.194 וולט.

חיישן מכ”מ RSM3650
מערכת המכ”מ שבה משתמשים היא מכ”מ גל רציף והיא פועלת עם 24 ג’יגה – הרץ. מקור המתח של 3.3 וולט עבור מקמ”ש פס K חייב להיות יציב מאוד. מתח הייחוס המדויק מספק את התפוקה של מייצב LDO דגם TPS7A4901 שנמצא בשימוש, כפי שהוזכר קודם לכן. טרנזיסטור T1 משמש על מנת להפעיל או לכבות את מקור המתח של החיישן RVCC (פין1). זרם האספקה למכ”מ הוא בדיוק 29.5 מילי-אמפר. אות המוצא של המכ”מ מופיע בפין 3 ונכנס לכניסת המגבר, בפין 1.

מגבר
ראשית, עלינו להעניק תשומת לב לבחירה של רוחב הפס המתאים וכמובן להגברה הדרושה עבור אות מכ”מ במתח נמוך (300 מיקרו-וולט). המגבר MC33078 שנמצא בשימוש, תוצרת טקסס אינסטרומנטס, פועל על פני טווח רחב של מתח אספקה יחיד ורוחב פס בהגבר גבוה ומגיע עד 16 מגה הרץ. את אות המקמ”ש המגיע מחיישן המכ”מ אפשר לקבל בפין 3 והוא מנותב לכניסת המגבר. המגבר מורכב משתי דרגות עם הגברה של 2x30dB ועם רוחב פס מתואם של 1061 הרץ. ביצועי המגבר המתוכננים מופיעים באיור 1.
הדרגה השנייה מאפשרת כתוספת, לבצע כוונון רמת רגישות לכיול מד המרחק. לבסוף, במוצא של המגבר, אפשר להעריך את האות המוגבר (ראה איור 2) עם בקר מיקרו. רוחב הפס המוגדר תלוי במהירות האובייקט. על מנת לעמוד בדרישות של מדידת המרחק של מכונית בתהליך החניה, בהחלט די במהירות אובייקט של 25 ק”מ לשעה. המגבר בעל הביצועים הגבוהים מונע כל הפחתה בנוגע ליחס אות לרעש של מקמ”ש פס K.
אפשר לחשב את תדר דופלר שמייצג את המהירות והמרחק של האובייקט על פי עוצמת התגובה של אות המכ”מ. שני הפרמטרים נמדדים בעזרת הממיר סיגמה דלתא של בקר MCU שנמצא בשימוש!

בקר המיקרו דגם MSP430 AFE253
אות המכ”מ בגל הרציף עובר המרה בעזרת ממיר סיגמה דלתא ל-24 סיביות. מד המרחק ממומש בעזרת בקר המיקרו שפועל בהספק נמוך MSP430AFE253. תרשים היישום מופיע באיור 3. ההתקן הוא נגזרת של סדרת בקרי המיקרו AFE2x3 של טקסס אינסטרומנטס. בקר המיקרו הוא התקן בעל ביצועים גבוהים ושלושה ערוצים, עם שלושה מאפנני סיגמה דלתא מסדר שני, הפרושים על פני טווח דינמי של 100dB. סדרת בקרי המיקרו משיגה תוצאות מדויקות מובילות ומציעה דגימה בו בזמן של מתח וזרם. בקר המיקרו מצויד כבר במודול ממיר מסוג סיגמה דלתא. עבור מד המרחק, מיושם מגבר רעש נמוך עם רוחב פס והגברה מוגדרים, על מנת לתאם את אות המכ”מ לכניסה האנלוגית של ממיר סיגמה דלתא. לאחר הפעלת היישום בעזרת מתג S1, בקר המיקרו מפעיל את מתח האספקה עבור חיישן המכ”מ והמגבר האנלוגי. הפין 24 שבבקר המיקרו עובר למצב גבוה ומפעיל את T1. הממיר סיגמה דלתא בודק באופן רצוף את אות המכ”מ הזמין (איור 1) בפין 1 שבבקר המיקרו. את רמת הרגישות אפשר לכוונן בעזרת פוטנציומטר P1 שנמצא בדרגת המגבר השנייה. ביישום זה, עלינו למדוד רק את עוצמת התגובה של אות המכ”מ על מנת לקבוע את המרחק. אם האות גדול מרמת הרגישות שכוונה מראש, חישוב המרחק יהיה רציף. אם המרחק קטן או שווה ל-60 ס”מ, נורית LED ראשונה תאיר בירוק. כל נורית LED מציינת התקרבות של 10 ס”מ במרחק. פירושו של דבר, שאם כל נוריות ה-LED יאירו, המרחק אל האובייקט יהיה 20 ס”מ. הגענו בדיוק אל המרחק שהוגדר מראש. נוריות LED 1 ,LED 4 מאירות בירוק ונורית LED 5 מאירה לאדום. כל נוריות ה-LED מבוקרות עם פיני היציאה 10, 17 …20 של בקר המיקרו. מד המרחק הוא מערכת מדידה בדיוק גבוה בעלת ביצועים גבוהים ובעלת רעש נמוך. כמובן שאפשר להעביר את היישום למצב כבוי בעזרת הלחצן S1. המשמעות היא שאספקת המתח עבור חיישן ומגבר המכ”מ תהיה מושבתת, מתוך מטרה לחסוך באנרגיה. אם מתח אספקת המכ”מ יועבר למצב כבוי לחלוטין, בקר המיקרו יעבור למצב של הספק נמוך.

מדוע כדאי להשתמש בחיישן מכ”מ
למדידת מרחק?
הדרך הטובה ביותר לגילוי תנועות רדיאליות ולהקלה על הגדרת המהירות של כל עצם. יתר על כן, חיישן המכ”מ יציב מאוד אל מול ההשפעות של הסביבה. גשם, שלג או כל זיהום אוויר אחר, אינם יכולים להשפיע על מערכת המדידה.

Note: For further detailed module descriptions, please refer to the Family User’s Guide:
MSP430x2xx Family User’s Guide (Rev. H)
Data Sheet: MSP430AFE2x3, MSP430AFE2x2, MSP430AFE2x1 Mixed Signal Microcontroller (Rev. A)

Herbert Schwarz, Texas Instruments