LTspiceで超音波距離計

超音波距離計カテゴリでLTspiceをもちいた超音波距離計のシミュレーションをしてきました。
今回のエントリでは、これらをまとめて回路全体のシミュレーションを行いました。

その結果、超音波距離計の検出可能限界距離は送信パルス数の影響を強く受けることが分かりました。
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超音波距離計のシミュレーション


これまで、計7回にわたって超音波距離計のLTspiceによるシミュレーションを行ってきました。(超音波距離計カテゴリ)

今回は、これらをまとめて超音波距離計のすべての回路を接続した状態でのシミュレーションを行います。

標準デバイスでまにあわせ


LTspiceの標準デバイスでまにあわせるの考え方をもとに受信回路の過渡解析で利用した素子モデルのうち、外部のサイトから入手しなければならないモデルをLTspice標準で持っているものに置き換えました。

オーディオ用Opamp:NJM4580
LTspice標準のUniversalOpamp2に置き換え、オープンループゲイン・利得帯域幅積・スルーレートなど交流動作時に影響が大きそうなパラメータをNJM4580データシートを参考に入力しました。(参考:PSpiceによるOPアンプ回路設計)
小信号SBD:1SS106
深く考えずにLTspiceに標準でインストールされている小信号ショットキーバリアダイオードから選びました。もっといい選択肢があるかも。
コンパレータ:LM393
コンパレータは単純な電圧制御スイッチと考えて、そのモデルを用いました。(参考:LTspiceでビヘイビア電源ほか)


検出限界付近のシミュレーション


LTspiceを用いた超音波距離計の典型的なシミュレーション結果をfig.1-2に示します。


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fig.1: 超音波距離計のスケマティック(800x600)

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fig.2: 応答波形(800x600)


超音波距離計の最大検出可能距離は、最終段のコンパレータの出力V(logic)がLになるかならないかの間に境界があります。したがって、距離以外のパラメータをスイープしたときに検波後の波形V(d2out)の出力電圧が最大となる回路定数を選んだときが、超音波距離計の性能が最もよくなるということになります。

送信パルス数の影響


超音波距離計 第六回:送信パルス数では、超音波送信素子単体に関して送信パルス数をスイープしたシミュレーションを行いました。

本エントリで、送受信を含めた超音波距離計全体のスケマティックをかいたので、これに対して送信パルス数をスイープしたシミュレーションを行いました。
さらに.measコマンドを使い、パルス数に対して検波後のピーク電圧がどのように変化するかを調べました。(参考:LTspiceで.meas(実効値,積分値など))


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fig.3: パルス数のスイープ(800x600)

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fig.4: 応答波形

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fig.5: パルス数に対する検波後の最大電圧


シミュレーション結果は少し意外なことに、送信パルス数が10~11パルスあたりで検波後の電圧V(d2out)が最大をとり、さらにパルス数を増やすと、逆に測定可能距離が減り、15パルス以上では変化しなくなるというものでした。

現実の超音波距離計でも送信パルス数は測定可能距離に対して、影響が大きいパラメータかもしれません。

関連エントリ



付録


このエントリで使用したLTspiceのシミュレーション用ファイルを添付します。ファイル名末尾の".txt"を削除して、"_"を"."に変更すれば使えるはずです。(参考:ねがてぃぶろぐの付録)


参考文献/使用機器




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