一种超声波测距芯片的制作方法

本申请涉及超声波测距技术领域，具体涉及一种超声波测距芯片。

背景技术：

超声波测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境(如含粉尘)具有一定的适应能力，用途极度广泛。例如，测量身高，倒车雷达，机器人避障，无人机避障，建造房屋等，超声测距仪的优点是：仪器造价比光波测距仪低，省力、操作方便。由于超声波易于定向发射，方向性好，强度好控制，它的应用价值己被普遍重视。

超声波测距是指利用声波在空气中传播速度和时间来测算距离。通过发送的超声波和接受遇到障碍物反射回来的超声波之间的时间差，结合声音传播速度，计算出模块到前方障碍物的距离。

如图1所示，最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物面的距离s，即：s＝340t/2。

超声波测距有两个关键技术点：

1.超声波的幅度随着距离的增加而衰减，这样近距离的反射超声波信号幅度大，远距离的反射超声波信号幅度小。接收端信号放大器需要动态调整反射信号的增益，放大到合适幅度的信号，比较器才能正确分辨出回声信号到达时间。

2.超声波发射探头刚刚发射完超声波信号后，在短时间内接受探头会收到发射端的余震信号，如何区别反射信号和余震信号成了技术难点。

如图2所示，现有的超声波测距模块都是用分立器件搭的，需要多个运算放大器以及电阻电容做模拟信号的放大和整形，信号幅度判断，并且还需要单片机做逻辑控制。因而成本高，体积大，功耗高，不利于小型化和低功耗设计。

现有的测距模块在接收端信号放大的时候，单纯的利用运算放大器和电阻电容网络，无法精确的控制反射信号的增益，无法正确区分反射信号和余震信号，只能屏蔽发射后的一段时间，在这段时间无法测距，造成盲区大或者盲区距离不稳定。也有在pcb板上用分离的模拟器件搭建的减小盲区的测距系统，但一致性不好，且增加的模拟器件成本高很多。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种超声波测距芯片，利用芯片内部逻辑电路控制时间增益模块实现时间增益调节，消除余震影响，减小测距盲区，扩大测量距离，一枚芯片再加极少数的外围电路就能实现超声波测距功能。所采用的技术方案如下：

一种超声波测距芯片，内部集成有逻辑控制电路以及连接到所述逻辑控制电路的超声波发射电路、时间增益模块、幅度比较判决电路，所述逻辑控制电路根据接收到的测距触发信号启动超声波发射电路，时间增益模块用以对接收到的反射信号随时间进行动态增益；所述幅度比较判决电路通过比较所述时间增益模块的输出值与预设阈值判断是否有回声信号，且能区分余震信号；所述逻辑控制电路根据所述回声信号将测得距离输出为一段脉冲宽度。

具体地，所述时间增益模块包括依次连接的时间增益控制电路、时间增益调节电路；所述幅度比较判决电路预设所述阈值，当时间增益调节电路的输出值超过所述阈值时，所述幅度比较判决电路输出高电平。

具体地，所述时间增益控制电路设有计数器，当检测到测距触发信号后，所述计数器复位并开始计数，计数器结果转换成温度码，所述温度码用以控制时间增益调节电路的增益量。

具体地，所述时间增益调节电路包括运算放大器和电阻反馈网络，电阻反馈网络的阻值通过一组开关控制。

具体地，所述时间增益调节电路包括两级或者多级串联的运算放大器和电阻反馈网络，电阻反馈网络的阻值通过一组开关控制。

具体地，电阻反馈网络的阻值随着计数器值的增加而增加，时间增益调节电路的增益量随之增加。

具体地，所述幅度比较判决电路输出高电平时，表明所述逻辑控制电路接收到回声信号，触发脉冲宽度变成低电平。

具体地，所述阈值vref＝3/4vdd，其中vvdd表示电源电压。

具体地，所述测距芯片的外部还连接到发射探头和接收探头，发射探头由所述超声波发射电路驱动，接收探头用于接收所述反射信号。

具体地，所述能区分余震信号具体为：测距触发信号刚启动后，所述余震信号经动态增益后仍小于所述阈值。

有益效果：本发明使用单芯片实现超声波测距功能，取消了电路板上的运放和单片机，大大减少了电路板上的电阻电容等无源器件，极大降低了器件成本和焊接成本；

使用单芯片实现测距功能，大大缩小了电路板体积，可应用于各种微型化设备中，单芯片方案降低了功耗，对低功耗系统非常有利；

使用单芯片实现测距功能，减小了电路板的噪声，能放大远距离的微弱反射信号，能实现更远距离的测距。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是现有技术的回声探测法时序图；

图2是现有技术的超声波测距模块；

图3是本发明的超声波测距芯片对外接口示意图；

图4是本发明的超声波测距芯片内部结构示意图；

图5是本发明的超声波测距芯片测距时序图；

图6是本发明的时间增益调节电路与幅度比较判决电路结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图3，本发明实施例提供的超声波测距芯片对外有如下接口，该芯片tp/tn管脚接一个超声波发射差分探头的两端，rp/rn管脚接一个接收差分探头的两端；vdd/vss管脚接一对3v～5v直流电源；xi/xo管脚接晶体振荡器；trig管脚接测距触发信号，单芯片再加极少数的外围电路就能实现超声波测距功能。

参见图4，本发明实施例提供的超声波测距芯片，内部集成有逻辑控制电路以及连接到所述逻辑控制电路的超声波发射电路、时间增益模块、幅度比较判决电路，所述逻辑控制电路根据接收到的测距触发信号启动超声波发射电路，时间增益模块用以对接收到的反射信号随时间进行动态增益；所述幅度比较判决电路通过比较所述时间增益模块的输出值与预设阈值判断是否有回声信号，且能区分余震信号；所述逻辑控制电路根据所述回声信号将测得距离输出为一段脉冲宽度。

所述时间增益模块包括依次连接的时间增益控制电路、时间增益调节电路。

具体地，所述时间增益控制电路设有计数器，当检测到测距触发信号后，所述计数器复位并开始计数，每间隔1毫秒计数器加1，计数器结果转换成温度码，所述温度码用以控制时间增益调节电路的增益量。

参见图6，所述时间增益调节电路包括运算放大器和电阻反馈网络，电阻反馈网络的阻值通过一组开关控制。电阻反馈网络的阻值随着计数器值的增加而增加，时间增益调节电路的增益随之增加。两级或者多级同样的结构串联可以提供更高的调节范围。

具体而言，时间增益控制电路的计数器为0时，时间增益调节电路的电阻反馈网络里的开关全部闭合，这时候增益最小。计数器每增加1，温度码为1的个数就增加1，温度码控制的电阻反馈网络的开关就多断开一个。随着计数器增加，反馈电阻阻值也增加，时间增益调节电路的增益随时间逐渐增加。在一个实施例中，8毫秒之后，时间增益调节电路的增益调节到最大。在其他实施例中，电阻反馈网络可以串联更多个电阻，同时每个电阻单独通过并联的开关进行控制。

所述幅度比较判决电路预设所述阈值，当时间增益调节电路的输出值超过所述阈值时，所述幅度比较判决电路输出高电平，表明所述逻辑控制电路接收到回声信号，触发脉冲宽度变成低电平。在一个实施例中，取所述阈值为vref＝3/4vdd，其中vdd表示电源电压。

参见图5，逻辑电路检测到测距触发信号的上升沿后，芯片tp/tn管脚发送超声波脉冲给发射探头(tn是tp的差分信号，未在图中画出)，开始发射8个周期40khz的方波信号，并开始启动时间增益控制电路的计数器。接收探头接收到反射信号通过rp/rn管脚返回芯片(rn是rp的差分信号，未在图中画出)，芯片内部检测反射信号。在触发信号之后的前3毫秒以内，此时反射信号的距离较近，反射信号被以较低的放大倍数放大，近距离的反射信号幅度比较大，可以被放大到满摆幅，余震信号被放大倍数不到满摆幅的一半幅度，所述余震信号经动态增益后仍小于所述阈值，因此反射信号和余震信号能被正确区分开。5毫秒之后，不再有余震信号，此时反射信号的距离较远，时间增益调节电路逐渐放大到很高的倍数，远距离的反射信号也能被放大到满摆幅。时间增益调节电路的输出值给幅度比较判决电路作比较判决，超过幅度比较判决电路设定的阈值vref，表明检测到回声信号，幅度比较判决电路输出高电平，同时触发宽度脉冲变成低电平，将测得距离通过echo管脚以一段脉冲宽度的形式输出，脉冲宽度跟测得距离成正比例关系。最终所述测得距离s与脉冲宽度t关系为s＝340t/2。

本发明用单芯片实现了测距功能，内部集成了逻辑控制电路、超声波信号发射电路、回声信号的放大和增益控制电路、比较阈值并判断距离的电路，取消了电路板上的运放和单片机，大大减少了电路板上的电阻电容等无源器件，极大降低了器件成本和焊接成本；大大缩小了电路板体积，可应用于各种微型化设备中，单芯片方案降低了功耗，对低功耗系统非常有利；减小了电路板的噪声，能放大远距离的微弱反射信号，能实现更远距离的测距。

此外，上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。