Помогите профессиональным советом

Проблема такая: есть источник звука, и два микрофона
Нужно поймать фронт звуковой волны от источника и измерить задержку прохождения его ч/з микрофоны. Частоты низкие около килогерца. Определив скорость звука, растояние до препятствия нужно будет измерять не хуже чем 0.1 мм (по крайней мере цифровая часть должна это позволять).

Для этого я собрал два чувствительных микрофонных усилителя питаемых от дву-полярного источника, затем взял модуль выходного сигнала с каждого усилителя, ограничил по амплитуде и подал на вход измерительного устройства.

Измерительное устройство собрано на быстрой логике + PIC. Логика нужна для того, чтобы сформировать логический импульс по длительности равный задержке прохождения сигнала. Этот импульс открывает путь импульсам от генератора 16МГц на цифровой счетчик собраный на PIC.

Схема вроде работает, прибор регистрирует малейшие изменения положения источника зука, измеренная скорость звуковой волны очень хорошо совпадает с теорией, но проблема в том, что это всё я придумал сам, и чувствую есть более правильные решения этой задачи.

Порекомендуйте принципиально иные методы измерения скорости звука низких частот в воздухе, но именно связанные с регистрацией фронтов, или все что может мне помочь порекомендуйте

А почему именно регистрация фронтов, ведь измеряя разность фаз можно добится большей точтости. Хотя наверно в этом случае элементная база усложниться

По фронту можно разрешать работу цифрового фазового детектора на время действия импульса - результатом будет серия импульсов с длительностью кратной разности фаз. Фазовые детекторы на логике описаны в первых констукциях синтезаторов частоты для связной аппаратуры. Длительность можно измерить микроконтроллером.

Это основное условие эксперемента



О да, это может подойти, я пока почитаю на эту тему

-

1) Я так понимаю, что только с помощью микрофонов можно регистрировать фронт, но в этом случае возникает проблема одинаковости КУ микроф. усилителей, к тому же волна заметно затухает с растоянием. Чем можно заменить микрофоны с усилителями или как уровнять уровни сигналов на выходе с учетом эфекта затухания (не исказив форму сигнала) ?

2) С выхода микр. усилителей поступает медленно изменяющийся сигнал, и малейшее несовпадение напряжений, при которых срабатывает цифровая схема приводит к большой ошибке, ведь за время 6е-8 секунды сигнал на выходе почти не изменяется, поэтому надо сделать так, чтобы напряжение, при котором срабатывает цифровая схема было очень одинаковым на обоих цифровых входах. Для начала, я поставил на вход элементы Шоттки на общем кристалле. Но наверное можно как-то с помощью ОУ сделать такие цифровые входы?

Вот я подключил к выходу мик. усилителей двух-канальный осциллограф, микрофоны находятся на растоянии 8см, а тот микрофон который ближе к источнику звука, является синхронизирующим для осциллографа. Одна клетка 500 кГц по гориз., и 5 Вольт по вертикали. Как я уже говорил сигнал на выходе усилителей взят по модулю, и питаются они от +-12В.

Отчетливо виден фронт звук. волны регистрируемый дальним микрофоном. Видно что сигналы повторяют друг-друга



На этой осциллограме одна клетка по горизонтали 2 МГц:



или вот интересный фронт то же 2МГц:



При 100 МГц и 0,5 В/клетку, получается прямая, то же самое будет видеть цифровая схема, а так не должно быть. По расчетам, оба цифровых входа должны срабатывать (переключаться с лог 0 на 1) при одном и том же напряжении: 0.5 плюс/минус 2*10^-4 Вольта. Не уверен что элементы с барьером Шоттки удовлетворяют этим условиям. Как такое сделать?

Если ставите фазовый детектор, то сравнение будет происходить по разности фаз на протяжении действия всего импульса. Фронт в этом случае будет использоваться только для запуска схемы сравнения. По каждому периоду фазовым детектором будет сформирован импульс по длительности равный времени сдвига (задержки) между первым и вторым импульсом. Точность будет пропорциональна количеству обрабатываемых периодов - передний фронт не будет играть важной роли. В этом и есть преимущество - ощибка будет значительно меньше.

По поводу усреднения с помощью фазового детектора детектора у меня есть опасения. Дело в том, что микрофоны расположены очень близко, следовательно уже на второй импульс могут повлиять переотражения (интерференция). Но я взял на вооружение идею фазового детектора и немного переделал схему, теперь не имеет значение в какой последовательности приходит сигнал на микрофоны, что то же хорошо.

Но как решить проблему №2 (срабатывание при одинаковом напряжении)?

Фазовый детектор выдаст - 0, на выходе - при одинаковых напряжениях на входе.

Дело в том, что фазовый детектор основан на логическом элементе XOR, но никто не гарантирует, что напряжение при котором переключается этот элемент одинаково для обоих входов с точностью до 2*10^-4 В, возможно, если соеденить его входы вместе, и медленно поднимать напряжение до напряжения переключения (кстати линейный режим у логического элемента никто не отменял), на выходе возникнет импульс по длительности пропорциональный разности напряжений при которых он переключается, если конечно напряжение на входах возрастает равномерно.

Сейчас я какраз готовлю эксперемент по выявлению или невыявлению этого явления.

Хотелось бы предостеречь: не во всякой логике имеется линейный режим. Есть серии логики, в которой всегда имеется небольшой гистерезис, в любом элементе. Я точно не помню, что это за серия, но одна из распространённых. Помню, что натолкнулся на эти грабли, когда хотел сделать на этом элементе усилитель с рабочей точкой в средине переключательной характеристики. Ничего не получилось - элемент загудел. А потом спустя короткое время случайно натолкнулся на статью, кажется, в журнале "Радио" или что-то подобное, что такие-то серии логики не имеют линейного участка...

Сообщение отредактировал Krys - Aug 7 2006, 03:12

Я решал похожую проблему следующим образом. На канал ставится два компаратора: один с фактически нулевым напряжением срабатывания, второй с пороговым. Первый(фазовый) компаратор срабатывал - MK AVR в режиме захвата запоминал момент времени перехода через ноль. При срабатывании второго (порогового) компаратора брался последний момент срабатывания фазового.

может быть тогда проще взять НЧ трансформатор от "пионерского" радиоприемника. В качестве фазового детектора трансформатор будет выдавать только сигнал разности. (как в противоместной схеме в телефонной трубке обычного телефона без электроники).

Я немного не понял как это работает, и боюсь, что PIC не заставить запоминать моменты времени с точностью до 0.1 мкс

Т.е. нужно на две абсолютно одинаковых обмотки соедененных навстречу полюсами подать сигналы с усилителей, тогда на третей обмотке будет импульс шириной равный задержке?

Если честно, я боюсь, что трансформатор в этой схеме будет источником погрешностей, которые я не смогу посчитать. И обе стороны импулса будут с такими же длинными склонами, с той же проблемой оцифровки, если я правильно себе представляю его работу. Мне бы схему примерную того, что вы имеете ввиду, а я бы попробовал.

На некоторое время я пропадал, чтобы провести несколько экспериментов. Мне нужно было проверить как ведет себя логика когда на её вход подаются медленные аналоговые сигналы, а в частности, мне нужно было проверить элемент XOR, и идею я формулировал себе так:

Если закоротить входы XOR элемента и медленно поднимать напряжение, один из входов должен будет сработать раньше другого, и элемент на выходе выдаст импульс лог "1".
Если же этого не произойдет, то оба входа одинаково чувствительны, т.е. напряжения при которых срабатывают входы очень близки, близки настолько, что внутренняя схема элемента не успеет переключиться за время, когда сработает второй вход.

Поэтому целью эксперемента было поймать импульс переключения на выходе XOR элемента, в то время пока на его обьединенных входах медленно возрастает напряжение. Ловить импульс я решил с помощью быстродействующего тригера (аналога 531ТМ2), и мне понадобился вспомогательный инвертор, так как у тм2 активным сигналом является логический ноль.

Для всего этого собираю такую схему:



После размыкания ключа, медленно возрастает напряжение на конденсаторе, а следовательно и на входе XOR элемента.

Схема работает идеально, на выходе триггера всегда лог. 0, при этом напряжение на конденсаторе плавно возрастает в течении примерно одной секунды от 0 до 5Вольт.

Ну раз тригер не сработал, значит действительно этот XOR элемент такой идеальный, стало быть проблема №2 решена.

Увеличиваю время RC в 100 раз. И опять всё идеально. Тут уж здравый смысл подсказывать стал, что что-то не так. И решено было проверить, действительно ли на выходе триггера всегда присутсвует лог "0". Подключаю осциллограф на его выход, и настраиваю синхронизацию на отлов положительного перепада.
Увиденное представляю на общественный суд:



Возникает странный шум когда напряжение на конденсаторе проходит примерно 1,3 Вольта. При этом размах колебаний достигает 10 Вольт!!!

Стал искать причину. Оказывается нельзя сброс триггера на конденсатор подключать, получилось что триггер в "линейный" режим вошел.

Сообщение отредактировал Денис v - Aug 7 2006, 23:59