超音波センサーの詳細検討

１．カウンタ回路の検討

カウントの手段

　カウントはＰＣが出力する周期２０［ｍｓ］でパルス幅４［ｍｓ］のパルス信号をトリガとしてカウントを開始する。当然、受信信号が１６［ｍｓ］以上のものは受信できない。従って、測定は１６［ｍｓ］で打ち切ることになる。測定を１６［ｍｓ］で打ち切っても音速は３４６［ｍ／ｓ］だから、超音波は５.５［ｍ］進み、測定は、帰ってきた反射波であるので５．５／２＝２．７５［m］まで測定できる。これは競技場内の最大の長さを上回っているので大丈夫である。

（２）　カウンタの選定

　超音波の波長は８．６［ｍｍ］であるから約１［ｃｍ］の精度以上での測定は不可能である。また、超音波の速度は３４６００［ｃｍ／ｓ］でるから、１［ｃｍ］を進むのに約３０［μｓ］かかる。よって超音波測定は超音波が行って帰ってきたものを検出するものであるので１［ｃｍ］の測定をするのにカウンタは１カウント２［ｃｍ］であればよい。従って測定パルスは６０［μｓ］の周期にする。また、測定時間は１６［ｍｓ］で打ち切るので、

　　　　　１６［ｍｓ］／６０［μｓ］＝２６６．６＜２６７［カウント］

　従って２６７カウント前後のカウンタを必要とすることが分かる。８ｂｉｔカウンタは２５６カウントであるのでこれとほぼ同数である。
よって、８ｂｉｔカウンタを使用することにする。

２．送受信回路の概要

　シーケンサーによるパルスをフォトカプラを通して伝え、その情報（１発パルス）とクロック（４０ｋＨｚ）とを合成して送信部から超音波を発射する。そして、反射して戻ってきた超音波を受信部でキャッチし、コンパレータを通して近距離の不要な反射波（周りこみ反射波）をキャンセルし、超音波反射時間の情報をカウンタへ送る。

３．回路図の解説

（１）　フォトダイオード

　光エネルギーを電気エネルギーに変換するフォトダイオードは、半導体のＰＮ結合部に光があたると電位差が生じる。光起電力効果を利用した光検出器である。

（２）　振動数の決定

Ｒ１＝３０［ｋΩ］
Ｒ２＝１００［ｋΩ］
Ｃ＝５６０［ｐＦ］
ｆ＝１／Ｔ
Ｔ＝１．５＊Ｃ＊Ｒ１
値を代入して

ｆ＝１／（１．５＊５６０＊１０−１２＊３０＊１０３）≒３９.７×１０３［Ｈｚ］

Ｒ１が可変抵抗であるので微調整をして４０ｋＨｚに合せる。

（３）　パルスと振動数波との合成

（４）　信号増幅部

　インバータが２段になっているのは、インバータからはき出される電流は決まっているのでそれを増やすためである。
　つまり１つのインバータから流れ出た電流がｉだとしたらＭＡ４０Ａ５Ｓには２ｉの電流が流れ込む。

（５）　イコライザーアンプ

　信号を増幅している。
ＧＡＩＮ : ５０ｄＢ なので

　５０ｄＢ ＝ ２０ｌｏｇＧ Ｇ ≒ １０２.５ ＝ ３１６.２倍

入力信号が約３１６倍となって出力される。

（６）　微分回路

　電圧のＤＣ分でカットする。
ＩＮ６０　　　−−−　ハイパスフィルタ
Ｃ＝１０００ｐＦ　−−−　パスフィルタ

（７）　コンパレータ

　アナログ量の信号をディジタル化するための回路でスレッショルドレベルを境にして、それ以上ならＨｉｇｈレベル、以下ならＬｏｗレベルに２進化している。
コンパレータには２つの入力ピンがあって＋と−、またはＲＥＦ，ＩＮＶという記号がついている。＋（ＲＥＦ）ピンの電圧が−（ＩＮＶ）の電圧よりも大きければ出力は同極性の方向(Ｈｉｇｈレベル)に振れ、−ピンの方が＋ピンの電圧よりも大きいと出力は逆極性の方向（Ｌｏｗレベル）に振れる。出力の１部を入力に戻し、ポジティブフィードバックを行っている。３９ｋΩの抵抗によってヒステリシスを作っている。１０μＦのコンデンサは、リップノイズをバイパスさせ、電流インピーダンスを下げている。

（８）時間パルス