「电路分享」船用回声测深声纳

2 d4 Y2 B1 A2 U" d$ K( {

过去探空（海底测量）是用“子弹”来完成的，也就是说，海员们把一个沉重的铅物体吊在校准过的绳子上。子弹一到底部，深度就直接从绳子的校准值上看出来了。这种安排在一些游艇上仍然存在。这种方法的最大缺点是它只能在停止位置或非常低的速度下使用，而且也不容易进行深部测量。我们将要建造的电子声纳没有这些缺点，它的指示可以和其他导航仪器一起在驾驶舱中完成。它本质上是一个声纳系统，用来测量超声波脉冲的发射和从底部接收反射波之间的时间。超声波发射采用一种称为水声投影仪的声波换能器，而反射信号则由水听器接收。

N( U% j- |% D, A! f+ j

通常的电子声纳装置包括一个超声波发射器，它发射150-200kHz的短超声波脉冲。这种脉冲在底部反射，其回波由水听器检测。水听器将回声转换成电信号，用来照亮由电机以固定频率移动的小霓虹灯，放在同心校准盘上。因此，霓虹灯在与测量深度相对应的细分中发光。

& k3 M7 A: [' V. `; V9 Q3 U6 x5 V

由于超声波发射发生在灯从零通过的瞬间，圆盘的刻度校准直接指示深度。经验丰富的海员仍然可以从灯光照射的方式了解海底的类型。在底部闪烁的时间较长时，沙质岩石闪烁的时间较长。

$ L/ p" C! Q) b( f0 g* b

我们的建筑有一个数字标志，不幸的是，它没有提供任何关于底部类型的详细信息。但它更小，能更准确地显示深度。

: S1 n+ C, G$ ~

" s5 R: ^ U; e) @$ b5 J

正如功能图所示，它很容易构建。一个有趣的简化是发射机和水听器嵌入在同一个外壳中。收发器连接到IC9（美国国家半导体公司的LM 1812）。

0 i) e* I ?0 T) i, Q+ e

电路声纳

超声波脉冲传播的距离是水深的两倍。由于水中平均声速为1500m/s（20°C，含盐量为2%），双向深度覆盖所需时间，如7.5m为10ms，因此，如果IC1的定时器频率为750Hz，记录10ms的脉冲到达，则测深为7.5m，但由于显示仅为整数，显示器将是7米。为了获得更精确的读数，时钟频率可以是7500赫兹，因此声音将精确到十分之一米。

显示器、存储器和成像驱动器包含在IC1中。当接收到回波时，显示器接收到来自IC9的停止脉冲。显示信息随后进入存储器，最后显示在七段式LED中。

新的测量周期从零周期脉冲开始，每200ms产生一次IC5，最多可计数1500次。这意味着该电路可用于深度达1500十分之一米，即150米。复位信号执行另外两个功能，启动脉冲传输，并通过MMV4和FF2激活警报。如果在回波检测时MMV4的输出电平是逻辑1，则FF2的输出宣告“浅层”的存在。报警阈值用P1从1m调整到10m。

$ j2 m, S5 a8 Z/ T

Monostable MMV3在P2设定的特定时间内没有回声检测时关闭显示。当没有收到回音时，LED D2保持熄灭。显示器一直工作到MMV2改变。当接收到回声时，D2立即开始闪烁。

值得更仔细地研究IC9。这是设备的核心。下一个图显示了IC9的各个步骤以及必要的外围元件。

/ X/ j. F4 W0 N! T

当IC5每200ms提供0.5s的脉冲持续时间时，IC9引脚8激活内置调制器并产生脉冲来传输超声波，在我们的例子中是200kHz。调制器和第二高频放大器（h.f.）共用协调电路L1/C14。在广播中，这个电路连接到调制器，而接收器连接到放大器。这样可以确保广播和接收的调谐频率相同。这个频率的绝对值不是特别重要。

输出级放大200 kHz脉冲信号，并通过晶体管驱动器T8和线圈L2驱动超声波发射器。L2，分布发射电容和C22在200kHz下形成一个调谐电路。

1 H4 }( H3 e6 D/ v

在传输脉冲之间的间隔中，检测和评估回波。它应用于第一个高频放大器（h.f.），然后通过P4传输到第二个放大器h.f.，后者现在连接到协调的L1/C14。电位计调整声纳灵敏度。选择放大器的输出驱动一个电平检测器，它对高于某个电平的信号作出反应。接收信号中的噪声脉冲通过脉冲中继器和积分器检测器的组合被丢弃。如果脉冲序列中断，脉冲中继器检测器将接收到的回波判断为偶发，并导致C15集成电容器放电。

如果接收到的脉冲很短（如噪声脉冲），则C15没有完全充电，脉冲被随机拒绝。然而，如果脉冲中继器探测器达到真实回波的脉冲，驱动成像被激活。如果显示器工作时间过长，保护电路会停止显示。这是通过从驱动信号给C19充电来实现的：当C19充电时，它运行一个内置在IC中的晶体管。

C9确保脉冲传输后第二高频的放大很小，因此发射元件的任何振荡都不会被回波。可测深度约为C9，因此可测深度不可接受。注意，在这种情况下，必须降低设备的灵敏度。

结构和装配

" j: P3 X, U* f9 T) t

最有趣的一点是安装发射/接收元件。下一个图表提出了一些解决方案。

; c$ q" g: z# \' P2 f) ]: k

也可以想象，一条垂直于血管宽度的线是垂直的。最后可能需要将发送/接收元件放在适配器盒中，如上面的diargam所示。如果船体是玻璃纤维的，整个装置可以放在船体内部。电池与电路其余部分的连接电缆不得与其他电缆连接，以免受到噪声脉冲的影响，从而降低电路的工作性能。注意这里：请勿缩短至发送/接收元件的电缆！如果你已经有了这样的东西。你不必买一个新的，因为你几乎可以肯定它将与声纳电路很好地工作。

VDO Echo Soynder Modis 120（工作频率为200 kHz）、Sacce、Euroromarine、Seafare（工作频率均为150 kHz）具有难以区分的发射/接收元件。你会在大多数船用电器/电子设备商店找到这些产品。

与发射/接收元件的定位困难相比，在电路板上制作电路板是儿童的玩具。L2线圈必须缠绕在手上，但L1可以随时购买。三位数显示在第二块板上。

稳压器及其冰箱放置在带有合适绝缘体的铜表面上，或在适当绝缘后，放置在箱体的一面墙上。在两块板之间，必须插入金属板进行屏蔽。带有相同符号的两块板的触点必须相互连接。

注意安全：接地连接与带有CL的板不在同一侧。

同一板上的DS触点必须桥接在地上，DP连接到5V。

% q/ ~* D& w& K: Q

盒子可以是塑料的或金属的，但不能渗透。安装过程中，电位计、开关、LED和插座的轴必须防水。红色展示窗用防水胶粘在盒子里。不要忘记12±2V时的连接。必须在将板放入盒中之前进行设置。

& N; `6 Q0 W6 u. \. a4 ^9 X, h

设置

3 X, a- k7 o4 l2 E( t2 @* N

首先设置P4为接收器的最大灵敏度。然后将发射/接收元件垂直放置在距离反射面0.5米的范围内。如果物品已经放置在其永久位置，在其前方0.5米处放置一个反射面（船不在水里！！）。然后设置L1的核心，直到显示器显示2.3米。这是因为水中的声音传播速度仅为其在海上传播速度的0.217。由于目标在空中的距离为0.5m，因此在海上的等效距离为0.5m/0.217=2.3m。

然后改变发射/接收元件和反射面之间的距离。空气中的变化范围为0.5-1.5米，对应于海洋中23-6.8米的深度变化。描绘应显示距离的变化。如果没有，则需要调整L1核心以实现真正的最大灵敏度。

k2 C% w H$ I8 z

如果你有示波器，设置有点简化。警告，因为如果您同时触摸IC9的两个引脚上的振荡器端子。你需要一个新的IC9。

将示波器探头连接至IC9针脚1，并使示波器与IC9针脚3信号同步。然后将L1的核心设置为最大回波幅度。在发射脉冲后几毫秒可见。

显示器工作时声纳的电流消耗约为200mA，12V时平均为40mA。

一些最后的细节

线圈L2是手工制作的。它被包裹在一个直径约为18毫米、高11毫米的合适芯中。二次绕组L2b的电感必须使得形成L2b的电路的谐振频率、分布式发射/接收透射率和C22与相同的发射/接收元件频率相同。

该频率由关系式f=1/2πx L x C给出，其中f是谐振频率，单位为Hz，L是H处的电感，C是总电容，单位为f。

r/ v% s2 O( W8 D+ R0 p

逆项，L=1/4π2x f2x C，对于f=200kHz，C=3n2，我们得到L2b=198μH。

相应的匝数N由关系式N=L2b/Ls计算得出。式中，Ls是铁氧体磁芯的特定电感。例如，如果Ls=250nH，则圈数变为28圈。

如果线圈比为1:9，L2a必须有3圈。

如果使用具有不同特殊电感值的铁氧体磁芯，上述计算当然应重新生成。匝数比可以保持在1:9。相应地，如果使用不同的发射/接收元件，则必须重新计算L2电感。

w# K- O. B5 B2 J( \9 k

此外，如果频率不是200 kHz，则C14必须通过以下公式重新计算：C14=1/4π2x f2x L1，其中f是新频率，L1=630μH。

触发“浅”报警的深度由以下因素决定关系：深度（m） =9 x 106x（P1+R16+R17），其中R16、R17和P1的单位为Ω。

" |5 o) G9 d2 ~4 g+ d: V

如果发送/接收元件不在船舶最深点，测量元件位置与龙骨较深点之间的距离Dk（深度差）。

将4098（IC6）更换为4538。将C9 12n与R13串联，电阻Rk的值由关系式Dk=9 x 106x（Rk+104）计算得出，其中Dk以m为单位，nRk以Ω为单位。

因此，Rk=（106Dk/9）-104。

例如，Dk=1.5m Rk=157k。此后，显示器将显示从船舶最深点到海底的距离，而不是从发射/接收元件的位置。

" o) F/ ?) w0 t4 v

注意：设置P1时，应考虑Dk。

0 H& B- d4 z- j& u% W3 A6 ?7 l

主PCB元件

d, r4 z4 U! g

电阻器 # F' E" o% R0 U

R9 = 10M

R10, R14, R21, R22 = 1k

R11 = 11k

R12 = 470k

R13, R15, R17-R20, R25 = 10k

& v) Y @) n2 `/ e, {

R16, R23 = 100k

R24 = 1M

) E# K |! B0 @

R26, R27, R28, R31 = 5k6

R29, R30 = 100Ω

. P8 A( h& q6 f

R32 = 10Ω

& T2 B# q0 |' p

R33 = 5Ω6

( D6 l4 M2 h0 A0 n1 o7 ]+ o4 t& X

P1 = 1M linear potentiometer

7 `# k7 K4 \4 O, g! O1 E; O# d

P2 = 1M pre-set

! B& X/ \) H g1 ]' v. t

P3 = 100k adjustable

P4 = 5k, linear potentiometer

电容器 5 e- u3 t& F5 @, \; v

C4 = 10p

C5 = 22p

* L7 g3 ]: M9 V0 I, s9 Q$ H0 C

C6 = 560p

C7 = 10n

8 y9 v4 A$ p7 ]

C8, C12, C16, C26 = 100n

C9, C10, C14, C17 = 1n (see text for C14).

C11 = 10μ / 16V

C13 = 12n MKT

C15, C18 = 220n

C19 = 680n

C20 = 2n2

4 n x/ p$ r7 O" w4 n( F% M

C21 = 150p (400V)

9 W+ D' y8 H4 d# h: s

C22 = 1n5 (400V) (see text)

; |3 u' T! P( K5 j6 X, J

C23 = 220μ / 25V

- F) T( g. Z) o% Y2 W$ W; A* r- |( c

C24 = 470m / 16V

C25 = 100μ / 16V

半导体 # m0 s, O% H. i+ s- o8 ? Y! A

# j0 k, w% J- r0 F$ l+ C3 y

D1, D3 = 1N4148

( `, Z1 W6 T$ a

D2 = LED

* ~" E2 W, S1 ^' Q

T5, T7 = BC547B

T6 = BC160

4 G1 A( S) M: o3 {

T8 = BD140

4 w5 t. `' L0 P* X; z. O1 g

IC3 = 4060

8 B- Z- t* c" J) \2 c P

IC4 = 40102

IC5 = 555

IC6 = 4098 (or 4538, see text)

4 |( k' J! T$ I1 k. N y, j

IC7 = 4538

/ T1 w, U6 B3 P3 ^" Q

LCMS = 4013

IC9 = LM1812 (National Semiconductor)

线圈 8 _, i& O* w- L& }: R- e

' ^- r+ M7 t) }3 Q6 e: o

L1 = 630μH = YAN60033 (Toko)

L2 = see text * L# A, J& M9 r$ c8 X' X7 \; n

其他 4 @+ f( ?: l3 m" g1 ]+ O) P+ |

S1、S2、SPST锁

X1 = quartz crystal 6MHz

150 kHz或200 kHz传感器

PCB显示器组件

电阻器

k3 h% S9 I7 }6 i

R1-R7 = 22Ω

R8 = 82Ω ' J7 s9 h( x; V

电容器

C1 = 10μ / 10V tantalum

& z9 ?) w( k' p' a% D

C2a = 470m / 16V

C3 = 100n 6 L: e& U' w% k5 S* U1 U

半导体

9 G( r+ B3 \1 B0 C5 r7 S1 L1 y6 }) `

DP2-DP4 = 7760 (D)

" M, \' T3 G1 S9 ]3 D* I* _3 ^

T2-T4 = BC140

IC1 = 74C928

IC2 = 7805 1 e8 b6 f1 A8 \/ d

其他IC2散热器（5°C/W）

, c4 a o8 _2 x, K! s