ElectronS.R.L.
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1. axe TX RX Enregistrer la diff rence de phase des signaux comme avant comparant le signal TX au signal re u au D placer d licatement le TX vers le RX assez pour un changement de phase de 360 degr s Mesurer le d placement et comparer le r sultat la longueur d onde calcul e de 7 5mm Est ce que cela vous sugg re une m thode pour mesurer le d placement ou par exemple le niveau de liquide dans un r servoir R p ter l observation des changements de phase regardant TP5 sortie du m langeur et TP6 sortie du filtre passe bas V rifier si vos conclusions sont coh rentes avec les pr c dentes 3 4 Ondes stationnaires Pointer l metteur vers une paroi une distance de moins de 2m Placer le r cepteur sur le m me banc que l metteur mais cette fois adress vers l onde r fl chie pas vers l onde directe Observer le signal avec l oscilloscope au TP1 c est dire avant les tages suivants o l amplitude varie En effet le r cepteur percevra les deux signaux puisque le signal transmis est intense le signal r fl chi est faible et le r cepteur a une mod r e capacit de r ception vers l arri re aussi Les ondes se propageant dans la direction avant et arri re quand simultan ment d tect es par le r cepteur se combinent dans un signal lectrique unique Le r sultat est ce qu on appelle peut tre mal dans ce cas Interf rence d Onde Si nous d pla ons le r cepteur l g r2. ABLE DRIVER ORR P4 TP8 sui ONS RNE HYSTERESIS 1 TPS ca OFF Ro TP6 mie De re 4 Mu TP2 7 s L R11 A Rig 5 p R14 R H gt 4 F gt Dole x Or 04 05 Ve us us R15 F GND GND c12 cie 0 5 LEVEL AC AMPLIF BP FILTER CROSS DETECTOR TRESHOLD COMPARATOR SHIELDED CABLE ae CE Ci ULTRASONIC RECEIVER ZERO CROSS DETECTOR AND AMPLIFIER BANDPASS FILTER AND SHAPER ULTRASONIC GENERATOR D1 AND TRANSMITTER X 10v P2 TP1 R9 1K TP2 10 R4 220 3k9 Et t 1 9 R6 P1 1K 47K ue 1 C1 1k LF353 R10 3 68k R11 RX 1 47K R1 ce 2 t 1 100K Re 10k L 2ke R8 c4 1M 220K u2 2 D3 D4 R7 RS LF353 1N4148 1N4148 LA Tre u1 2 47K 10K L LF353 DR Re a a gt V V V R23 47K ll AE 4 14 m v u4 u4 4077 4077 3 4 22 4 V V 13 12 i U4 x 4077 R17 swe TP7 eke ii us 1 u5 2 TPS Probe EF 25S P4 U6 1 be K1 ke 100K LM2903 1N4148 c7 R14 6 47K POK 7 2 LED gt S
3. Design Production amp Trading of __ Educational S R L Equipment Electron s R L MERLINO MILAN ITALIE 39 02 90659200 Fax 90659180 Web www electron it e mail electron electron it B3510 1 06 04 DOC 06 2004 SOMMAIRE 1 GENERAL 2 DESCRIPTION DU SYSTEME 2 1 Le G n rateur d Ultrasons 2 2 Le R cepteur Ultrasons et Amplificateur 2 3 Le Filtre Actif Passe Bande 2 4 Le D tecteur de Passage 4 Z ro 2 5 Le M langeur et le Filtre Passe Bas 2 6 Le D tecteur de Cr te 2 7 Le Comparateur Seuil 2 8 Le Pilote Verrouillable 3 EXERCICES 3 1 L Emetteur 3 2 Phase du signal re u 3 3 Les Principes de D tection de Position 3 4 Ondes Stationnaires 3 5 L Effet Doppler 3 6 Fonctionnement du Syst me d Alarme 4 ANNEXE 4 1 HCF4070 Fiche technique 4 2 LF353 Fiche technique 4 3 LM393 Fiche technique 1 GENERALITES Ce module didactique comprend des dispositifs et des blocs de circuit pour effectuer des exp riences int ressantes avec les Ondes Ultrasoniques Caract ristiques en d tail Un micromodule accessible distance avec metteur ultrasons et un g n rateur pertinent de fr quence r glable R cepteur d ultrasons et amplificateur c a Filtre actif passe bande D tecteur de passage Z ro et circuit de mise en forme pour le signal re u r g n rateur
4. ES 3 1 L metteur Connecter une alimentation appropri e 15 15V stabilis au prises P S de l unit Le B3510 BU est recommand Brancher le connecteur du c ble de la petite carte dans la prise correspondante sur la carte principale Mettre sous tension Etudier et enregistrer la forme d onde du signal appliqu la capsule metteur onde triangulaire 40KHz et 20Vpp Faire cela avec l oscilloscope et le fr quencem tre connect s aux fils de l metteur R gler le trimmer d terminant la fr quence P1 si n cessaire 3 2 Phase du signal re u Placer les cartes Emetteur et R cepteur sur le m me banc dirig es l une vers l autre un distance d ou moins 50 70 cm Placer une sonde de oscilloscope sur le signal transmis de la carte m re et l autre sur le signal re u TP1 Trigger sur le premier Observer que la fr quence est la m me pour les deux La phase est consid rablement d pendante de tout l ger mouvement de l metteur et du r cepteur Tandis que TX et RX sont encore dirig s l un vers l autre approche la voie de transmission avec un objet ou avec la main La phase changel La raison en est que l onde re ue par le RX est une combinaison ou superposition de l onde directe et de l onde r fl chie par obstacles voisins 3 3 Les principes de la d tection de position Avec la m me organisation comme avant placer une r gle sous la carte TX align e avec l
5. M langeur du signal r g n r au signal original pour produire des battements d tecteur de phase D tecteur de cr te pour les ondes d phas es Comparateur seuil avec hyst r sis variable Pilote du relais verrouillable Les sujets d exp rience et d tude permis par ce module sont G n ration r ception propri t s des ondes US Mesure de d phasage Utilisation des ondes US pour mesurer les distances Utilisation des ondes US pour tablir un syst me de radar effet Doppler D tection de mouvement de vibration et de pr sence au moyen des ondes US Syst me d alarme anti intrusion ondes US Le module a besoin d une alimentation stabilis e 15 15V comme l alimentation B3510 BU 2 DESCRIPTION DU SYSTEME Voir la fig 1 pour une vue d ensemble de ce module didactique et la fig 2 pour son sch ma d taill 01 02 R1 RS F Re Q c14 FIG 1 85101F1 us ci us RECEIVER TRANSMITTER L P1 FREQUENCY OUTLINE OF THE PANEL ULTRASONIC TRANSDUCERS APPLICATIONS MIXER AND LP FILTER PEAK DETECTOR ON K1 R22 c Le swe LATCH 06 TRI LATCH
6. ement et doucement dans une direction axiale ou dans l autre nous recevrons le signal direct et le signal inverse avec des angles de phase diff rents Ces signaux superposent leur effet avec r sultats diff rents dans certain points les ondes ont en opposition de phase et elles se soustraient en autres points les ondes ont la m me phase et par cons quent elles s additionnent Le r sultat est une amplitude ondulante du signal per u le long du chemin TX obstacle C est ce qu on appelle onde stationnaire 3 5 L effet Doppler Place le TX et RX un c t de l autre sur le m me banc pointant dans la m me direction Place la sonde de l oscilloscope sur TP6 ou mieux la sortie d U5 1 Positionner vous m me au moins 1m de TX et RX D placer une main rapidement vers eux Vous observerez une ondulation du signal sur l oscilloscope L amplitude de l ondulation reste plus ou moins inchang e si la main est d plac e diff rente vitesse mais pas la fr quence du signal ondulation Comme d j mentionn en effet la sortie du m langeur d tecteur est un niveau continu ou une fr quence c a Il s agit d un niveau continu quand la diff rence de phase est constante Il s agit d un signal alternatif quand les fr quences des signaux transmis et re u sont diff rentes comme pour l effet Doppler 3 6 Fonctionnement du syst me d alarme Avec la m me disposition comme avant r gler la moyenne de la constante de te
7. i RED Ce O 3 R16 PS LT 3 2 3 Oe I R15 05 res ce eRe A R22 R18 H c 1M a 1N4148 4 7uF LI iak 1K5 10K 25 ul al 3 R19 1M5 LP FILTER PEAK DETECTOR TRESHOLD LATCHABLE DRIVER COMPARATOR D7 1N4001 us OH cs cio 100uF 100uF 100uF 25v 25v 25v TRANSMITTER BOARD GND O cu c14 100uF 100uF 100uF 25v 25v 25v be EL D8 1N4001 FIG 2 SCHEMATIC DIAGRAM OF THE MODULE POWER SUPPLY 35101F2 L metteur ultrasons est mont sur un petit circuit li au module principal au moyen d un c ble connectoris Cela permet l acc s distant de l metteur tel que requis pour r aliser certaines exp riences La capsule metteur d US se compose d un bloc pi zo c ramique avec 2 faces parall les m tallis es Quand une tension est appliqu e aux bornes des surfaces m tallis es le mat riel pi zo c ramique vibre proportionnellement la tension appliqu e Ce d placement m canique se traduit en une onde ultrasonique par une membrane attach e l l ment vibrant Le r cepteur est en principe identique l metteur puisque l effet pi zo lectrique est r versible toutefois metteurs et r cepteurs diff rent en d tails de construction qui sp cialisent leur utilisation Une description des blocs de la Fig 1 est la suivante voir fig 1 et 2 2 1 LE GENERATEUR D ULTRASONS Ce circuit est mont sur la petite carte ainsi que la capsu
8. l metteur et r cepteur sont plac de c t Les deux pointent dans la m me direction Le r cepteur re oit pas l onde directe d livr e par le TX mais celle r fl chie par une paroi ou un obstacle Le moindre mouvement ou vibration survenant dans la zone metteur r cepteur objets r fl chissants peut tre imm diatement d tect par un changement de phase c est dire par un changement de niveau de sortie du m langeur 2 6 LE DETECTEUR DE CRETE Le d tecteur de cr te prend la sortie du m langeur Filtre passe bas supprime la composante continue par C7 et rectifie le reste Le r sultat est TP7 un grand signal positif variable pour toute variation de phase dans le signal re u 2 7 LE COMPARATEUR A SEUIL Le Filtre passe bas compos de P4 C8 lisse et moyenne le signal variable produit par le d tecteur de cr te Le but est d introduire une v rification de persistance sur le signal r v lant un changement de phase Le signal moyenn est compar une r f rence r glable P5 par le comparateur U6 1 La sortie de celui ci est un signal d alarme ON OFF 2 8 LE PILOTE VERROUILLABLE Le pilote se compose d un relais avec deux contacts de commutation K1 Le pilote est verrouillable puisque le commutateur SW2 peut tre mis ON afin que le relais K1 se verrouille ou m morise l alarme Le verrou peut tre r initialis par l ouverture temporaire de SW2 3 EXERCIC
9. le metteur Il se compose d un g n rateur d onde triangulaire compos de deux tages un int grateur U1 1 et un comparateur U1 2 Le g n rateur produit une onde d amplitude constante environ 20Vpp La fr quence est r glable par P1 La fr quence de fonctionnement recommand e pour le syst me est 40kHz Ce module utilise un g n rateur d onde triangulaire au lieu d un g n rateur sinuso dal puisque les g n rateurs de triangle sont en g n ral plus simples plus stables et robustes et plus simples de r gler l amplitude et la fr quence On peut supposer que l onde triangulaire appliqu l metteur US soit traduite en une pression acoustique presque sinuso dale dans l air C est depuis l l ment pi zo c ramique filtre toutes les harmoniques tombant l ext rieur de son 8 410 NZ ET Photo et dessin d une capsule ultrasons TX ou RX domaine de r sonance 2 2 LE RECEPTEUR ULTRASONS ET L AMPLIFICATEUR Le R cepteur US passe son signal de sortie U2 1 un amplificateur op rationnel de gain lev Son signal de sortie est disponible pour les mesures TP1 2 3 LE FILTRE ACTIF PASSE BANDE Le signal sortant de l amplificateur de r ception va un filtre actif passe bande quip d l ments de r glage P2 et pour l accorder sur la fr quence US re ue Ce filtre permet la rejection de bruit ambiant ventuellement capt par la capsule de r ception Son gai
10. mps P4 mi chemin Laisser SW2 ouvert pour le moment pas de verrouillage du relais Faire bouger un objet dans la zone entourant metteur r cepteur R gler le seuil de sensibilit P5 comme d sir Quand l action de verrouillage est d sactiv e comme maintenant vous pouvez ins rer une hyst r sis dans le comparateur seuil par SW1 Cela rend le fonctionnement du comparateur plus stable Ins rer le contr le de verrou SW2 Le relais reste ON apr s activ une fois Cette fonction permet de m moriser des alarmes Le contact non utilis du relais K1 peut tre utilis pour activer par exemple une alarme distance 4 ANNEXE
11. n est intrins quement tr s lev dans le centre de la bande passante et le signal de sortie TP2 normalement appara t comme une onde carr e d coup e 2 4 LE DETECTEUR DE PASSAGE A ZERO Cet tage re oit le signal sortant du filtre passe bande et produit une onde carr e mise en forme utiliser dans le suivant Etage M langeur 2 5 LE MELANGEUR ET LE FILTRE PASSE BAS Dans l tage m langeur le signal re u d ment trait et reconstruit est compar en phase une copie du signal original transmis pris comme r f rence Les deux signaux sont compatibles aux niveaux CMOS gr ce deux portes num riques Le mixage des deux signaux est fait en effectuant un X OR invers Exclusive NOR Les propri t s de ce m langeur sont les suivantes Si les signaux m lang s sont gaux en fr quence et ont une diff rence de phase constante la sortie est une onde carr e dont le rapport cyclique d pend de la diff rence de phase m me 0 si les signaux sont en phase et 100 si les signaux sont hors de phase de 180 degr s Dans tous les cas interm diaires le rapport cyclique varie entre 0 et 100 Ce circuit est pourtant un DEMODULATEUR DE PHASE COHERENT La Modulation de Phase et la Modulation de Fr quence sont les deux faces d une m me m daille Ce circuit en effet fonctionne bien aussi comme un D modulateur de Fr quence En d autres termes ce circuit suivi d un filtre passe bas produit un niveau de tensi
12. on d pendant de la diff rence de phase entre les signaux d entr e ou une tension variable un signal alternatif dont la fr quence est gale la diff rence de fr quence des signaux d entr e Discutons bri vement de l utilit d avoir ce m langeur dans notre application ultrasons Cas 1 l metteur rayonne une onde US Le r cepteur est situ une certaine distance pointant vers l metteur Le signal re u sera en retard de phase par rapport au signal transmis cause du temps de propagation de l onde environ 300m s Si l metteur et le r cepteur sont fix s de mani re stable dans leur emplacement la diff rence de phase sera constante et le m langeur fournira une sortie niveau constant Si l metteur ou le r cepteur se d placent de son emplacement ceci g n rera un changement de phase par cons quent une sortie c c variable dans le m langeur Noter que ce syst me est extr mement sensible et permet une mesure pr cise des distances Pour se rendre compte consid rer que la longueur de l onde US de 40kHz dans l air est velocit de propagation de l onde 300m s Lambda 7 fr quence de l onde 40000Hz Autrement dit un changement de juste 7 5mm dans la distance metteur r cepteur g n re un changement de phase de 360 degr s ou deux fois un balayage de sortie de 0 100 4 la sortie du m langeur Un mouvement d une fraction de millim tre serait donc facilement d tectable Cas 2
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