Zur Theorie

Ultraschall ist Schall im Frequenzbereich von 20 kHz bis 1 GHz, und wird vom menschlichen Ohr nicht wahrgenommen. Um Ultraschall für den Roboter zu nutzen, braucht es eine Schallquelle und ein passendes 'Gehör'. Es gibt günstige Ultraschallkapseln, die wahlweise eine oder beide Funktionen erfüllen. Ich verwende z.B. die US-Kapseln 400ST160 als Sender und 400SR160 als Empfänger (Im Handel werden die auch mit UST-40T und UST-40R bezeichnet. [Datenbatt]).
In der Senderkapsel befindet sich ein Piezo-Kristall, der sich durch das Anlegen einer Spannung verformt. Dieser Schwingquarz hat eine Resonanzfrequenz von 40 kHz, d.h. wenn man eine Wechselspannung mit dieser Frequenz anlegt, beginnt er stark zu schwingen und die Kapsel emittiert Ultraschall in eben dieser Frequenz. Hierbei ist der Schalldruck proportional zur angelegten Spannung.
Die Empfängerkapsel funktioniert umgekehrt. Trifft Ultraschall der Resonanzfrequenz auf den Schwingquarz, wird dieser angeregt und gibt eine schwache sinusförmige Wechselspannung ab. Normalerweise muss dieses Signal aufbereitet werden, um es mit dem μC weiterverarbeiten zu können. Dabei ist von Vorteil, daß das Signal i.d.R. nur noch verstärkt werden muss, da Fremdfrequenzen ausserhab der eigenen Resonanzfrequenz des Empfängers stark gedämpft werden und praktisch kaum stören.

Erste Testschaltungen

Zu Testzwecken habe ich eine Sendeschaltung und eine Empfängerschaltung aufgebaut. Diese sind sehr einfach gehalten und dienen lediglich dem Senden eines 40kHz-Rechtecksignals und der Betrachtung des resultierenden Sinussignals.
Erzeugt wird das Rechtecksignal mittels Timer/Counter am μC und direkt über einen Pin an die Sendekapsel ausgegeben. Das Signal wechselt somit nur zwischen 0 und 5 V und der resultierende Schalldruck ist vergleichsweise gering.

Einfachste Beschaltungen der US-Kapseln UST-40T und UST-40R

Um ein Gefühl für die Dimensionen zu erhalten, habe ich mit dieser Schaltung eine erste Messreihe aufgenommen. Der Sender wurde dabei mit einem 40kHz Rechtecksignal und einer Amplitude von 0 bis 5 V angesteuert. Der Empfänger hing direkt am Oszilloskop. Beide US-Kapseln waren waagrecht angeordnet etwa einen Meter über dem Boden nach Auge aufeinander ausgerichtet. Im folgenden Diagramm sind die Messdaten aufgezeichnet:

Messung des Ausgangssignals am US-Empfänger in Abhängigkeit zur Entfernung zum Sender

Hier kann man sofort erkennen, daß das Signal in dieser Form nicht ausreicht. Auffallend ist, daß sich das Signal nach etwa 7 Metern nicht mehr ausreichend vom Hintergrundrauschen abhebt. Um meine geplante Reichweite von 10 Metern zu erreichen, muss der Sender mit einer höheren Spannung versorgt werden die einen höheren Schalldruck erreicht. Dies kann beispielsweise mit einem Transistor als Schalter und einer höheren Spannungsversorgung realisiert werden. Mein φ wird aber nur mit 6 V Spannung versorgt werden, und nur für den US-Sender lohnt sich eine zweite Versorgung nicht. Alternativ kann man z.B. über einen elektrischen Schwingkreis die Amplitude des Signals verstärken.

Die Signalverstärkung am Sender mittels elektrischem Schwingkreis

Ein elektrischer Schwingkreis führt, wie der Name schon vermuten läßt, elektrische Schwingungen aus und kann gezielt auf seinen Resonanzfall abgestimmt werden, was ich mir hier zunutze macht.
Die Grundschaltung des Schwingkreises besteht aus einem Kondensator und einer Spule, wahlweise parallel oder in Reihe geschaltet. Deshalb wird er auch oft LC-Schwingkreis oder LC-Glied genannt.

Grundschaltung LC-Schwingkreis, parallel

Der elektrische Schwingkreis, parallel

Einmal durch einen Schwingungsimpuls angestoßen, wechselt die zugefügte Energie zwischen dem magnetischen Feld der Spule und dem elektrischen Feld des Kondensators hin und her, wodurch entweder hohe Spannung oder hoher Strom anliegt. Durch Reibungsverluste ebbt die Schwingung über die Zeit ab. Dieser Vorgang ist analog zum bekannten mechanischen Pendel, bei dem der Wechsel zwischen der potentiellen und der kinetischen Energie erfolgt.
Für den US-Sender ist eine periodische Schwingung mit möglichst hoher (kurzzeitig > 20 V) Spannung erwünscht, die weit über der Versorgungsspannung liegt. Dies ist nur über die Eigenresonanz des LC-Schwingkreises möglich. Um diese auf die von der US-Kapsel benötigte Frequenz f von 40 kHz abzustimmen, wird die Thomsonsche Schwingungsgleichung verwendet.

Die variablen Werte für L und C können durch umstellen der Formel leicht berechnet werden.

Für erste Tests habe ich diese resonanzverstärkte Schaltung aufgebaut:

Resonanzverstärkte Testschaltung mit LC-Schwingkreis

Ich habe für L und C zwei mögliche Verhältnisse berechnet, um im Versuch zu testen, welche die geeignetere ist.
Ursprünglich hatte ich vor, die erste unverstärkte Messung einfach mit dieser Schaltung zu wiederholen, um die Sendeverstärkung direkt vergleichen zu können, allerdings funktioniert das mit dieser Schaltung nicht. Bei dem Rechtecksignal schaltet der Transistor bei jedem HIGH-Pegel durch und somit kann sich keine positive Spannung aufbauen, weil sie immer wieder nach GND abgeführt wird. Zurück bleibt ein verzogenes, oberhalb von 5V abgeschnittenes Signal.
Also muss der Transistor schnellstmöglich gesperrt werden. Nach einer kleinen Modifikation am Sendeprogramm wird das Signal nur über 5 Perioden vom μC erzeugt. Dies reicht aus, um den LC-Schwingkreis anzustoßen. Auf dem Oszilloskop kann man sehr schön den Anschwingvorgang und den Übergang in ein sauberes, nachschwingendes Sinussignal erkennen und vermessen.
Für L1 = 6,8 mH und C1 = 2,2 nF ergibt sich rechnerisch eine theoretische Resonanzfrequenz von 41,1 kHz. Mit 40 kHz angestoßen schwingt das LC-Glied mit dieser Frequenz auch genau mit. Die erste Periode des nachschwingenden Sinussignals hat eine Amplitude von 39,6 V. Die fünfte Periode imerhin noch 27,4 V.
Die zweite Kombination mit L1 = 1,5 mH und C1 = 10 nF hat ebenfalls eine theoretische Resonanzfrequenz von 41,1 kHz. Wie erwartet gibt es auch hier ein sauberes sinusförmiges Nachschwingen. Allerdings liegen hier die Spannungsspitzen niedriger. Die erste Periode hat nur 29,5 V, die fünfte 20,3 V.
Mit diesen Messwerten bin ich zufrieden. Die erste Schaltung verstärkt die Spannung achtfach, der Schalldruck sollte ausreichen, um die angestrebte Reichweite von 10 m zu bekommen. Die hohe Spannungsverstärkung hält sich aber leider nur über wenige Perioden.
Mit dieser Sendeverstärkung wurde der erste Versuch wiederholt. Die zweite Messreihe ist in der Grafik der vorherigen zum Vergleich gegenübergestellt:

Messung des Ausgangssignals am US-Empfänger in Abhängigkeit zur Entfernung; senderseitig verstärkt.

Aus der Grafik ist sofort ersichtlich, daß sich das Ausgangssignal der Empfängerkapsel verbessert hat. Die Reichweite hat sich erwartungsgemäß auf 10 Meter erhöht und auch die Spannung wurde verstärkt.
Allerdings liegt der Verstärkungsfaktor im Mittel bei 3,3, was sich stark von der Verstärkung am Sender unterscheidet. Ich nehme an, daß es mit den unterschiedlichen Signalen, die am μC erzeugt werden, zu tun hat. Das unverstärkte Signal war eine kontinuierliche Rechteckspannung, während die zweite Messung technisch bedingt mit Bursts erfolgte, wodurch der Empfänger weniger mitschwingen konnte. Die erste Meßreihe im Burstmodus wiederholt, sollte die wahre Verstärkung genauer darstellen, sie ist aber für die weitere Betrachtung uninteressant.
Der Einschwingvorgang macht sich aber noch an einer anderen Stelle bemerkbar. Was nämlich aus der Grafik nicht ersichtlich wird, ist, daß die Meßwerte die jeweiligen Signalmaxima sind, die erst etwa mit der 14. Signalperiode auftraten. Da im nächsten Schritt eine dreistufige Empfangsverstärkung realisiert werden soll, entsteht somit eine Zeitverzögerung, die bis zu 14 Perioden, das sind etwa 0,35 mSek, beträgt. Auf die Schallaufzeit bezogen ist das ein Fehler von etwa 12 cm. Dieser ist abhängig von der Signalstärke, die wiederum von der Entfernung, und bei Abstandsmessungen, vom reflektierenden Medium abhängt.
Für die Standortbestimmung, bei der nur die Entfernung eine Rolle spielt, kann dieser Fehler durch weitere Messungen abgeschätzt und berücksichtigt werden. Die bei der Kollisionsvermeidung dann noch hinzukommende Ungenauigkeit sollte dann vernachlässigbar gering sein.

--- Die empfängerseitige Verstärkung wird auch noch entwickelt. ---