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

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

На этой осциллограме одна клетка по горизонтали 2 МГц:

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

или вот интересный фронт то же 2МГц:

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

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...

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:

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

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:

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

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.

Тем временем нужно было выяснить поведение XOR элемента при медленно
изменяющихся напряжениях на входе в различных включениях: как "заглушка"
(S5,S6, S7), как инвертор (S1, S4), и как повторитель (S2, S3).
Привожу лишь итоги эксперемента:

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

"Живые" осциллограмы отдельно в архиве:

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Выявились странные шумы с частотой примерно 2 МГц при переключении:

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Похоже эти шумы - результат того, что элемент переходит в усилительный режим,
но что именно он усиливает не понятно. Причем шумы отсутсвуют в схемах S1, S4, S7.
Но присутствуют да же тогда, когда схема питается автономно и на конденсатор щуп
не подключен. Конденсаторы 0,1 мкФ и 220 мкФ подключены прямо к выводам питания ИМС.
Может кто знает как эти шумы появляются?

.

В следующий раз хочу проверить поведение элементов с барьером Шоттки, которые в данный момент у меня стоят на входе. А перед ними думаю поставить по компаратору на каждый вход.
Опорное напряжение для них будет общим (регулируемое от 0.2 до 4 Вольт), а на другие входы подключить выходы усилителей.

Сможет ли компаратор выдать надежную цифровую "1", если напряжение на его входе превысит 3е-4 Вольт над опорным напряжением? Впрочем чем меньше будет эта величина тем лучше.

И еще вопрос - где найти простые беземкостные схемы усилителей для электретных микрофонов?

Денис, это совершенно не реально. 0.1мм при скорости звука в воздухе около 300м/с соответствуют разности времени примерно 0.3мкС. Поймать такое изменение длительности при "частотах около килогерца" невозможно, ни захватывая фронты, ни анализируя сдвиг фаз, во всяком случае аналоговым образом. Кроме того, скорость звука не будет константой на всём пути.
По поводу остальных твоих изысканий. Цифровые мс не предназначены для работы в аналоговом режиме, тем более в измерительных схемах. Есть специальные "стыковочные" схемы - компараторы, триггеры Шмитта. Но, повторяю, это не решит твоей проблемы.
Кстати, получить такое разрешение по времени с помощью обычных микрофона и усилителя также невозможно.

всё вполне реально, уже первые измерения давали разрешение в 0,02 мм на частоте 10кГц с помощью обычных микрофонов но более сложного оборудования. Поэтому вопрос не стоит о принципиальной возможности, вопрос стоит в том, чтобы разработать измерительное устройство на простой элементарной базе, а на что оно будет способно зависит лишь от самой базы и старания

А может вам попробовать мостовую схему- на 4 резисторах (хотя трансформаторная конечно лучше).
С выхода моста прямо на вход ОУ.

а у вас нет в качестве примера какой-нибудь похожей схемы того и другого?
я без этого не могу представить как их использовать

Сейчас нет под рукой. А гуглом пробовали поискать?

Изюмительный подход: хочется получить разрешение 0.1 мм при неизвестной базе (расстояние между микрофонами), закладываясь на параметры микросхем, которые производители указывают для справки. А в каких условиях все это должно работать - акустическая камера, обычная комната, открытый воздух?
В любом случае нужны два идентичных по фазовой задержке и, может быть, по коэффициенту передачи измерительных канала. Полосу частот имеет смысл ограничить до необходимого минимума. Точность согласования должна быть выше требуемой точности измерения.
Каким образом этого добиваться, решайте сами. Можно, например, снять АФЧХ каждого канала и выполнять коррекцию в цифре. А уж потом измерить разность фаз можно и PIC'ом.
И не забывайте, что разрешающая способность и погрешность измерения во всех ее проявлениях - две весьма большие разницы.

to xemul:

Когда я говорил про базу (элементарную), то имел в виду номенклатуру широкодоступных цифровых микросхем, а растояние м/у микрофонами вполне известное и варьируется от 1мм до 2м в зависимости от требуемой погрешности и условий измерения.

Разрешение - это растояние, которое пройдет звуковая волна за то минимальное время, которое способно регистрировать это устройство.

Условия - лаборатория (коробка, комната, зал, открытое пространство...)

А сейчас стоит задача повысить разрешение за счет более точного определения одной и той же фазы сигнала принимаемого разными микрофонами, с учетом того, что сигнал очень медленный и затухающий с растоянием

Интереснее всего было бы придумать другой метод измерения, вплоть до применения особых микрофонов или датчиков давления.

И очень нужна схема безъемкостного усилителя для электретного микрофона, если встретится такая схема, дайте мне знать, очень очень нужно, поисковики же молчат

для подобных задач спец. мсхмы : http://www.acam.de/index.php?id=18&L=0
посмотрите аппликации !

to proba:

Супер! Спасибо за ссылку!