中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

超音波之水底通訊

Underwater Communication of Ultrasonic

系 所 別:電機工程學系碩士班

學號姓名: M09801004 古一喬

指導教授: 王志湖 博士

中 華 民 國 100 年 8 月

摘要

目前有越來越多的學者投入水下無線通訊系統的研究，進而促使了水下無線 通訊的技術不斷推陳出新，由於水下無線通訊的環境非常複雜，信號會因為多重 路徑造成的干擾、以及自然與人為雜訊造成的干擾使得能量衰減、信號失真，影 響通訊距離，間接影響水下無線通訊的品質，目前只有聲波在水中環境傳送的損 失還算可以接受，所以聲波就成了水下通訊的主要媒介。

本論文所研究之目的是採用市售的超音波感測器做為研究，並研發對應之發射與 接收系統，實現長距離的通訊需求。

關鍵字:水下無線通訊、超音波感測器

Abstract 

Nowadays, more and more researchers have been exploring underwater communications systems using the ultrasonic sensors. This type of system has seen much progress recently. Because of the system’s complex environment, it has multi-path propagation, noise interferences that they are made by nature and human, and many disruptions. These issues will affect the underwater communication’s quality and distance. Because of the transmission energy needed, harsh environment, and disturbances due to outside signals, the signal quality is often compromised.

In this thesis, a long-distance transceiver design has been completed. This research used the automatic gain control to improve the underwater communication.

Keywords: Underwater communications systems, ultrasonic sensors

誌 謝

經過了這兩年的學習與成長，讓我從大學散漫不經的生活，到學會做事的方 法與積極的做事態度，想起當初怨天尤人的心態，不知道該如何去接受挑戰與面 對問題的壓力，在徬徨、害怕、淚水中，讓我明白該如何調適心情坦然面對，冷 靜並且按部就班的尋找問題、分析問題與解決問題。在這充滿挑戰與戰戰兢兢的 兩年中，記不清撞牆與跌倒的次數，最感謝的是指導教授王志湖博士的循循善誘，

讓我成長了許多，老師的用心良苦與諄諄教誨，是我一輩子最所遵循與學習的典 範，老師，謝謝您!!!

感謝田慶誠老師的細心指導、以及育成中心的各位大哥江俊杰、莊青龍、鍾仁峯、

陳金振，還有同學張佳偉與林建安學弟的參與幫忙，因為有你們的參與才能讓此 研究進行的更加順利。

感謝學長:名偉、建榮、權佑、子揚、永聖、貿鴻、丞延、鴻彰、星佑、宣志、

興浚、維彥，謝謝你們在我學習的過程中給予的協助與指導，感謝同梯的同學與 學弟學妹:佳龍、佳偉、建州、華智、孟勤、燕汝、新南、伯綸、佳婷、佩蓉、

靜宜、文正、建安。所幸有你們在生活上、課業上給予的鼓勵與陪伴，共同分享 這兩年充實又難忘的點點滴滴。

最後要感謝我的家人與女朋友，有你們的支持、鼓勵及照顧，我才能盡全力完成 這兩年學業，感謝大家並將這份喜悅分享給每一位。

目錄

摘要... I  Abstract ... II  誌謝辭... III  目錄... IV  圖目錄... VI  表目錄... VIII 

第一章  緒論... 1 

1.1 研究前言 ... 1 

1.2 研究目的 ... 1 

1.3 研究流程 ... 2 

第二章  系統架構與規格制定... 3 

2.1 水下通道特性 ... 3 

2.2 超音波感測器特性 ... 3 

2.2.2 超音波感測器特性阻抗 ... 5 

2.2.3 超音波感測器靈敏度 ... 6 

2.2.4 超音波換能公式 ... 7 

2.2.5 超音波感測器量測結果 ... 8 

2.3 規格制定 ... 12 

2.3.3 Receiver 架構 ... 14 

第三章  系統各級電路之設計說明... 15 

3.1 Underwater Ultrasonic Transducer 量測 ... 15 

3.2Ultrasonic Transceiver 電路設計 ... 17 

3.2.2 載波產生電路 ... 18 

3.2.3 放大電路 ... 19 

3.2.4 諧振電路 ... 21 

3.3Ultrasonic Receiver 電路設計 ... 22 

3.3.1 限幅電路 ... 22 

3.3.2 AGC 自動增益控制 ... 23 

3.3.3 放大電路 ... 25 

3.3.4 倍壓檢波電路 ... 26 

3.3.5 低通濾波器 ... 27 

3.3.6 Schmitt trigger ... 28 

第四章  系統各級電路量測與整合量測分析... 29 

4.1 發射端載波產生電路量測 ... 29 

4.2 發射端 sensor 輸出量測 ... 31 

4.3 接收端電路 VGA 量測... 31 

4.4 放大電路量測 ... 33 

4.5 倍壓檢波 ... 35 

4.6 Schmitt trigger 量測結果 ... 37 

4.7 整合測試量測 ... 38 

第五章  結論與未來展望... 46 

參考文獻... 47 

圖目錄

圖 2.1 超音波感測器特性阻抗 ... 5 

圖 2.2 超音波感測器接收/發射靈敏度 ... 6 

圖 2.3 泳池實際量測環境 ... 9 

圖 2.4 傳輸距離為 50cm 時，超音波發射與接收波型 ... 10 

圖 2.5 傳輸距離為 1m 時，超音波發射與接收波型 ... 10 

圖 2.6 傳輸距離為 20m 時，接收波型 ... 11 

圖 2.7Transceiver 架構圖 ... 13 

圖 2.8 Receiver 架構圖 ... 14 

圖 3.1PVDF 超音波感測器等效 MODEL ... 15 

圖 3.3 PVDF 超音波感測器諧振頻率重複性 ... 17 

圖 3.4 Transceiver 系統方塊圖 ... 17 

圖 3.5 555 Schematic 方塊圖 ... 18 

圖 3.6 B 類放大交越失真 ... 19 

圖 3.7 AC 放大電路... 20 

圖 3.8 諧振電路 ... 21 

圖 3.9 Receiver 系統方塊圖 ... 22 

圖 3.10 限幅電路圖 ... 23 

圖 3.11 LMH6502 VGA 電路圖 ... 24 

圖 3.12 AGC 電路方塊圖 ... 25 

圖 3.13 放大電路圖 ... 26 

圖 3.14 倍壓檢波電路圖 ... 26 

圖 3.15 低通濾波器電路圖 ... 27 

圖 3.16 schmitt trigger 電路圖 ... 28 

圖 4.1 555 Schematic 方塊圖 ... 29 

圖 4.2 555 Schematic 模擬結果 ... 29 

圖 4.3 555 Schematic 量測結果 ... 30 

圖 4.4 發射端 sensor 量測結果 ... 31 

圖 4.5 VGA 電路圖 ... 32 

圖 4.6 VGA 量測結果 ... 32 

圖 4.7 單級放大電路圖 ... 33 

圖 4.8 單級放大電路不加電容模擬 ... 34 

圖 4.10 單級放大量測結果 ... 35 

圖 4.11 單級放大量測結果 ... 36 

圖 4.12 單級放大量測結果 ... 36 

圖 4.13 Schmitt trigger 電路圖 ... 37 

圖 4.15 Schmitt trigger 量測結果 ... 38 

圖 4.16 系統實際量測之環境 ... 39 

圖 4.17 水中生物在超音波 sensor 附近徘徊 ... 39 

圖 4.18 為風吹過湖面產生波紋 ... 40 

圖 4.19 為校內抽水馬達 ... 40 

圖 4.20 超音波距離 4m 量測結果 ... 41 

圖 4.21 超音波距離 4m 量測結果 ... 42 

圖 4.22 超音波距離 2m 量測結果 ... 43 

圖 4.23 超音波距離 4m 量測結果 ... 44 

圖 4.24 超音波距離 10m 量測結果 ... 45 

圖 4.25 超音波距離 10m 量測結果 ... 45 

表目錄

表 2-1 200LM450 之相關規格 ... 4 

第一章 緒論

1.1 研究前言

近年來，水下通訊備受注目。由於海洋環境多變，對於電磁波與光波的吸 收非常大，且高衰減率因而無法利用，只有聲波在水中環境傳送的損失還算可以 接受， 所以聲波就成了水下通訊的主要媒介。1917 年，法國物理學家朗之萬用 天然壓電石英製成了夾心式超音波換能器，並用來探查海底的潛艇，自此便開啟 超音波水下通訊輝煌的一頁。自20 世紀初期至今，PVDF（Polyvinylidene Fluoride，

簡稱PVDF）壓電式超音波換能器技術已成為一項各先進國家積極開發的前瞻性

技術，以感測用途而言，超音波傳遞時會因介質不同而於介質表面產生聲波的反 射、折射等現象，因此被大量使用於距離偵測、障礙物監測甚至醫學成像等;又 因為電磁波無法有效的穿透海水，而聲波卻能在海水中自由行進，使得超音波更 廣泛的被應用在水底通訊、水下量測，甚至於偵測潛艦科技上都不難發現超音波 的應用。

1.2 研究目的

近幾年有越來越多的學者投入水底通訊相關之研究，使得水底通訊技術不斷 的推陳出新，本論文所研究之目的是採用市售的超音波感測器做為研究之標的，

研發對應之發射與接收系統，藉由將傳遞之資訊轉換成數位訊號，並經編碼、調 變、功率放大後經超音波發射器發射，經過水下通道傳遞至超音波接收器，經信 號自動增益控制(Automatic gain control，簡稱 AGC)放大、濾波、解調變、數位 解碼，構成水下超音波數位通訊系統，完成水下感測通訊網路(underwater sensor network，簡稱 USN)初期之研究

1.3 研究流程

在先期研究中發現目前超音波的應用與研究大都集中在於量測距離與水下 深度量測，在於水下通訊應用層面雖然有水下感測通訊網路，但節點對節點通訊 距離不長，以至應用有限，本研究主旨在於實現長距離的通訊需求， 因此本研 究將針對可行性及改進效能作為重點。

研究流程首先參考文獻先訂出系統的基本架構，針對水下傳輸感測元件測 試，確定感測器特性，第三則是針對感測器特性設計應用電路，達成水下通訊規 格之需求，第四是進行軟體模擬。接著是進行整體的電路實際製作。最後是將完 成的各方塊進行整合測試。

第二章 系統架構與規格制定

2.1 水下通道特性

超音波是目前唯一在水中具有低衰減量且遠距離傳輸特性的通訊方式，所以 超音波常被應用於水下環境進行探勘、通訊、監測等工作，但超音波在水下傳送 時仍然有許多困難需克服，一般來說，在水下環境中有固定的雜訊存在，大致可 分為天然的雜訊與人為的雜訊，雨滴碰觸水面以及水中生物所造成雜訊等，屬於 自然的雜訊；馬達的引擎聲與人們接觸水面所造成的雜訊等，歸類為人為的雜訊。

不同的雜訊來源對超音波會有不同的影響，對訊號的干擾程度亦有所不同，有雜 訊的存在一定會降低信號雜訊比(Signal-to-Noise Ratio，簡稱為 SNR)，如果要提 升信號雜訊比，最有效的方法就是提高訊號的發射功率；超音波在水下傳送時必 須考慮傳輸路徑的損失，因為介質的影響，能量容易被吸收，信號在水中的衰減 相對也會增加，超音波在水底的傳輸速度受制於介質，水下的溫度、深度及鹽度 等都是影響水下聲波速度的主要因素，超音波的發射與接收也與路徑有關，因為 折射與反射的多重路徑，使信號傳輸的過程中接收端除了收到直接路徑傳來的訊 號外，同時也會收到一些因為反射或是折射的信號，造成信號互相干擾，直接影 響了接收端接收信號的精準度。

2.2 超音波感測器特性

本論文所使用的超音波感測器型號是200LM450，工作頻率為 200±10.0kHz 以下將針對它的規格詳加概訴:

超音波感測器又稱為換能器(Transducer)，主要的功能是用在超音波與電路 之間聲能與電能的互相轉換，由發射端電路所發射的訊號透過超音波感測器，將

下通道傳遞至接收端的超音波感測器，超音波感測器接受到的聲波轉換成電的信 號，傳至後端電路，進行解調、解碼、分析。

2.2.1 超音波感測器規格

在本系統開發中，選用了普威公司所生產的超音波感測器，型號為 200LM450，其相關的規格列於表 2- 1。

表2-1 200LM450 之相關規格

Center Frequency 200±10.0Khz 200±10.0Khz Bandwidth (FOM -6dB) 25Khz Transmitting Sound Pressure Level

0dB re 1μPa per 1Vrms at 100cm 160dB min.

Receiving Sensitivity

0dB = 1 volt/μPa -180dB min.

Submerged Impedance (Ohm) 200 Capacitance at 1Khz ±20% 2000pF Input Power (Pulse Drive) 50 Watts Total Beam Angle -6dB 20°

Cable Length 4.5 m Housing Material Plastic resin (取自於 Underwater Ultrasonic Transducers 200LM450)

2.2.2 超音波感測器特性阻抗

圖2.1 超音波感測器特性阻抗

(取自於 Underwater Ultrasonic Transducers 200LM450)

圖2.1 為超音波感測器沒入水中所量測的特性阻抗，因為超音波發射聲波時，

必須要靠實阻抗才能將信號發射出去，由圖2.1 中我們可以發現在接近 188.5kHz 的頻率下有一個串聯諧振點，此時phase 為 0º，實阻抗約為 200Ω；另外，我們 還可以看出在接近 202.5kHz 的頻率點也有一個實阻抗，這時候的超音波感測器 視為並聯諧振，phase 的角度也趨近於 0 º，實阻抗估計為 1.5K Ω，如果我們要 有效的將信號發射出去，這兩個頻率會是最有效的發射頻率。

2.2.3 超音波感測器靈敏度

圖2.2 超音波感測器接收/發射靈敏度

(取自於 Underwater Ultrasonic Transducers 200LM450)

圖2.2 為超音波感測器發射靈敏度(Transmitting Sensitivity，簡稱 STX)與接收 靈敏度(Receiving Sensitivity，簡稱 SRX)在不同頻率下所量測的結果，根據圖中所 給的資料，STX在距離超音波感測器100 公分時量測，在峰值電壓(Peak Voltage，

簡稱Vp)大小為 1Vp 時可以轉換出 1u 帕斯卡(符號 Pa)的聲壓定為 0dB，SRX在距 離超音波感測器100 公分時量測，以 1uPa 的聲壓可以轉換出 1Vp 定為 0dB，在 圖2.2 中可以發現超音波感測器發射靈敏度最好的頻率是在 187.5kHz，靈敏度大 小約為167dB，1Vp 的電壓大小可以轉換出 4.48kPa 的聲壓，而超音波感測器接 收靈敏度最好的是落在205kHz 附近，靈敏度大小約為-174dB，1uPa 的壓力大小 可以產生出40.0nVp，在使用超音波感測器時接收與發射靈敏度同時都需要考慮，

怎麼取捨來得到最好效能也是在應用時需要考量的問題。

2.2.4 超音波換能公式

以下將就其電壓轉換聲壓公式逐一列出，超音波感測器靈敏度的dB 大小可

表示成:

TX

TX

dB S

S

其中STX和STX(dB)均為發射端超音波感測器之靈敏度，但是靈敏度單位分 別為uPa /V 和 dB，可由已知之超音波感測器靈敏度圖中，利用下列公式將發射 端超音波感測器之靈敏度dB 單位轉成 uPa /V

。

20 ) (

10

TX dB S

S

=

同理，接收端超音波感測器之靈敏度亦可由下列公式算出

。

20 ) (

10

RX dB S

S

=

發射端超音波感測器轉換之聲壓可表示成:

T TX

T

S V

Pa

其中 PaT是發射端超音波感測器轉換後的聲壓，STX是超音波感測器發射靈 敏度，VT是發射端電路的超音波感測器所接收之電壓。

接收端超音波感測器轉換之電壓可表示成:

R RX

R

S Pa

V

其中VR是接收端電路超音波感測器轉換後的電壓，SRX是超音波感測器接 收靈敏度，PaR是接收端電路的超音波感測器所接收之聲壓。理想的情況下，假 設傳輸路徑沒有損耗，PaT 會等於PaR。

綜合以上各式，我們可以得到完整的電壓轉換公式為:

RX TX T

R

V S S

V

因為超音波感測器傳輸的大小會與距離有關，大致上是與距離的一次方成反 比，所以我們在公式中加入1/R 這一項，以符合實際的應用環境，公式更改於下:

) (

) ( 1

m R S m S V

V

2.2.5 超音波感測器量測結果

目前使用的sensor 在 210kHz 的頻率下量測接收功率最大，而圖 2.2 接收能 力最好的是205kHz，考慮到 sensor 出廠規格多少會有許偏差，所以 sensitivity 目前暫以210kHz 的情況下來做計算，超音波感測器發射靈敏度在頻率 210kHz 時，靈敏度大小約為158dB，1Vp 的電壓大小可以轉換出 79.43Pa 的聲壓，接收 靈敏度在頻率210kHz 時，靈敏度大小約為-180dB，1uPa 的壓力大小可以產生出 1nVp，量測發射端超音波感測器所接收之電壓 VT峰對峰值(Peak to Peak Voltage，

簡稱Vpp)的電壓大小大約為 13Vpp 左右，換算成峰值電壓為 6.5Vp，接著我們 以不同的傳輸距離帶入(2.7)式來驗證我們的靈敏度是否與量測結果相符合，以下 是我的計算結果:

距離為0.5m 時:

Vp Pa

mV V

Pa m Vp

R S m S

V

5 . 0 ) 1 / ( 1 ) / ( 43 . 79 5

. ) 6 (

) (

1 = × × × =

×

×

× (2.8)

距離為1m 時:

Vp Pa

mV V

Pa m Vp

R S m S

V

1 ) 1 / ( 1 ) / ( 43 . 79 5

. ) 6 (

) (

1 = × × × =

×

×

× (2.9)

距離為20m 時:

mVp Pa

mV V

Pa m Vp

R S m S

V

20 ) 1 / ( 1 ) / ( 43 . 79 5

. ) 6 (

) (

1 = × × × =

×

×

× (2.10)

以下是在不同的距離下實際量測到的電壓轉換大小:

圖2.3 是本系統在水下的實際量測環境，左邊為發射端超音波感測器，右邊 則是接收端超音波感測器，超音波感測器距離水面大約為1.3 公尺。圖 2.4 是本 系統當超音波傳輸距離為50cm 時在水下量測之波型，channel 2 是發射端超音波 感測器所接收之波型VT，Scale 每格為 5V，波型大小為 13Vpp，channel 3 是接 收端超音波感測器所接收之波型VR，Scale 每格為 2V，波型大小約為 2Vpp 換算 成峰值電壓約為1Vp，與(2.8)式計算值接近。

圖2.3 泳池實際量測環境

圖2.4 傳輸距離為 50cm 時，超音波發射與接收波型

圖2.5 傳輸距離為 1m 時，超音波發射與接收波型

圖2.6 傳輸距離為 20m 時，接收波型

圖2.5 是本系統當超音波傳輸距離為 1m 時在水下量測之波型，channel 2 是 發射端超音波感測器所接收之波型VT，Scale 每格為 5V，波型大小為 13Vpp，

channel 3 是接收端超音波感測器所接收之波型 VR，Scale 每格為 2V，波型大小 約為2Vpp 換算成峰值電壓約為 1Vp，與(2.9)式計算值接近。圖 2.6 是本系統當 超音波傳輸距離為20m 時在水下量測之波型，圖中 channel 1 是接收端超音波感 測器所接收之波型VR，Scale 每格為 10mV，波型大小約為 50mVpp 換算成峰值 電壓約為25mVp，與(2.10)式理論計算值相差不大。在這個距離量測實驗看出，

超音波感測器在傳輸時會受距離的影響，在固定的發射功率，距離越長接收越 差。

2.3 規格制定

系統架構可成兩大部分，分別為Transceiver 架構與 Receiver 架構以下為個 別說明與規格制定。

2.3.1 系統規格需求

本論文研究之目的是使用超音波做遠距離之通訊，在接收端最後一級放大器 必須要能夠放大出足夠的信號，才能利用倍壓檢波電路檢測出波封，再由schmitt trigger 電路比較並還原出原始的數位信號，所以在進入倍壓檢波電路之前必須要 有高於3.2Vp 的峰值電壓，而透過上面公式我們得知 20 公尺的通訊距離會使接 收信號衰減至25.8mVp，所以放大電路至少需要 42dB 以上的增益，本系統所設 計的放大電路分為兩級，分別放大32dB，而 VGA 最大增益為 20dB，所以系統 接收端的最大增益高達84dB，而 VGA 動態範圍為 20dB 至-50dB，所以系統的 最小增益為34dB。

2.3.2 Transceiver 架構

圖2.1 所示為 Transceiver 架構，系統架構一開始決定使用 555 振盪電路產生 方波 15Vpp 當作電路的載波信號，並由 MCU 來調整頻率，輸出至放大電路。

之後經過諧振電路輸出到sensor，最後 sensor 透過壓電效應在水中產生聲壓將調 變信號發射出去。

圖2.7Transceiver 架構圖

2.3.3 Receiver架構

圖2.2 所示為 Receiver 架構，當 sensor 接收訊號時，會先經過限幅電壓電路，

因為在Transceiver 發射時因為傳輸的距離會使得 Receiver 接收的訊號有大有小，

會造成電路工作不正常，所以我們需要限幅電路，得到一個比較穩定的輸入，

後端的AGC 電路透過迴授機制可以將輸出固定，再經由倍壓檢波得到波封，

輸入之後端的schmitt trigger 比較並還原出原始數位信號，最後由解碼電路解出 我們的資料。

圖2.8 Receiver 架構圖

第三章 系統各級電路之設計說明

超音波發射與接收電路設計流程大致區分為量測超音波感測器、發射端電路、

接收端電路三大部分，系統三大部分之設計將分項列述如下：

3.1 Underwater Ultrasonic Transducer 量測

為了加深了解對 PVDF 超音波感測器特性與回波的關係，我們必須先量測 PVDF 超音波感測器，其量測步驟如下:

(1)使用網路分析儀測量測 PVDF 超音波感測器在水中之阻抗。

(2)使用網路分析儀測量測 PVDF 超音波感測器的 S Parameter 並存成 S1p file。

(3)使用 ADS 模擬 S1p file 並且使用 PSpice 電路模擬軟體 fitting PVDF 超音波感 測器之等效 MODEL。

(4)判斷 PVDF 超音波感測器機械共振頻率。

圖3.1PVDF 超音波感測器等效 MODEL

圖3.1 是利用 PSpice 軟體 fitting 出來的 PVDF 超音波感測器等效 MODEL ，

& Schwarz 的 ZVL，在使用 ADS 模擬 S1p file 時，可以將不同頻帶的量測結果 銜接在一起，如此一來，可以更加清楚的看出增益變化與阻抗的轉折，也可以同 時將多個超音波感測器量測結果銜接成一個檔案以利於判斷機械共振頻率。圖 3.2 是我們量測單一個 PVDF 超音波感測器的阻抗，圖 3.3 是我們量測多個 PVDF 超音波感測器來驗證頻率的重複性，量測頻帶為150kHz 到 250kHz，點數為 1601 點與0dbm，其中發現了 2 個諧振點分別在 196kHz 及 210kHz，196kHz 時，超音 波感測器為串聯諧振，210kHz 時，超音波感測器為並聯諧振，與廠商所給的規 格資料不相符合，考慮超音波感測器出廠規格與測試環境不盡相同，目前以實驗 量測為主較符合實際量測環境。

圖3.2PVDF 超音波感測器 S1p file

155 160 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245

150 250

1E2 1E3 1E4

1E1 1E5

-75 -60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60 75

-90 90

freq, KHz

phase(Z(1,1))

m3 m1

mag(Z(1,1))

m2

m4

m3 freq=

phase(Z(1,1))=0.085 210.5kHz m1 freq=

phase(Z(1,1))=0.026 196.4kHz m2 freq=

mag(Z(1,1))=171.222 196.4kHz

m4 freq=

mag(Z(1,1))=1459.316 210.5kHz

圖3.3 PVDF 超音波感測器諧振頻率重複性

3.2Ultrasonic Transceiver電路設計

圖3.4 所示為 Transceiver 系統方塊圖，各級電路方塊功能之設計將分項列述 如下：

圖3.4 Transceiver 系統方塊圖

209 209.5 210 210.5 211 211.5 212 212.5

194 194.5 195 195.5 196 196.5 197

190 195 200 205 210 215

鋔

(kHz)

憨楦 鋔(kHz) 鄺 鋔 蘒鞙

敁芖 鄺 拹芖 鄺

3.2.2 載波產生電路

在輸出調變訊號時我們需要一個振盪電路產生穩定的載波，555 振盪器低成 本又穩定，電壓操作範圍大，符合我們的需求，555 IC 應用廣泛,例如:不穩多諧 振盪電路、單穩多諧振盪電路、電壓控制振盪器……等等,而我們將其應用在不 穩多諧振盪電路。圖3.5 為 555 Schematic 方塊圖，555 IC 在系統中的功能是提 供載波信號，載波頻率為210kHz，載波大小為 15Vpp，工作原理大致是如此，

IC 第五腳需加一個電容以免受雜音干擾，第五腳不外加電壓時，第二腳比較器 的參考電壓為1/3 Vcc，而第六腳的參考電壓為 2/3 Vcc，當第二腳電壓小於 1/3 Vcc 時，振盪器輸出 1，當第六腳電壓大於 2/3 Vcc 時振盪器輸出 0，另外振盪的 頻率跟R1 及 R2 電阻有關，透過調整這兩顆電阻值，可以輸出我們需要的載波 頻率。

圖3.5 555 Schematic 方塊圖

3.2.3 放大電路

放大器總共分成3 類，其中 B 類放大器是在完整週期的一半或 180 度導通。

AB 類放大器其導通稍微大於 B 類放大器。它們的效率都比 A 類放大器來的高。

圖3.7 所示是 B 類放大器操作的致命傷，是輸入信號必需要克服在電晶體將要導 通前的障壁電壓(VBE)。這種輸出信號不對稱的失真我們稱為交越失真。要克服 B 類放大器的交越失真，要將電晶體偏壓調整到稍微比 VBE 高。這種修正過的 工作模式稱為AB 類放大器。可利用電組和二極體的配置來完成此目標。555 振 盪電路所能輸出的電壓最大為15Vpp 因此在發射電路中加入了 AC 放大電路，

而放大電路主要是用了三顆電晶體與一些R、C 所組成，如圖 3.7 為 AC 放大電

路圖，其中運用了AB 類推挽式放大器、負回授以及保護電路等技巧。放大電路

除了增益必須達15dB 以上，還必須是高輸入阻抗並且輸出不受低負載影響，放 大時，由正半週與負半週個別做放大，不過由於後端接上了匹配變壓器，加上超 音波感測器輸入阻抗極低，如何提高從負載看進去的輸入阻抗，或者提升放大電 路的倍率，都是未來可以加強的重點。

圖3.6 B 類放大交越失真

圖3.7 AC 放大電路

3.2.4諧振電路

本系統所使用之諧振電路由RC 及匹配變壓器所組成，主要是使用 LC 並聯 諧振的電路特性，並聯諧振回路的特點是，諧振時回路阻抗最大且為纯電阻，當 電流一定時，電感兩端的电壓最大，若偏離諧振頻率，回路阻抗及電壓將明顯減

小。值得注意的是，超音波感測器的阻抗為200Ω，因為匹配變壓器的特型，阻

抗比與電感圈數平方成正比，使得由電路看進匹配變壓器的阻抗極小，約為2 Ω 所以我們需要能夠推動極低負載的放大電路，如果希望阻抗提高，勢必要調整匹 配變壓器的圈數比，但轉換至二次測的電壓就會減小，要能夠有效的將功率放大 並輸出必須在這上面找到最好的平衡。本系統所使用之匹配變壓器一次測的電感 值為11uH，圈數比為一比十，匹配變壓器二次測感值為 1mH，可以利用公式

LC πf

2

1 可以將並聯諧振的電容值求出，而得到最大的輸出功率。

圖3.8 諧振電路

3.3Ultrasonic Receiver電路設計

圖3.9 所示為 Receiver 系統方塊圖，各級電路方塊功能之設計將分項列述如 下：

圖3.9 Receiver 系統方塊圖

3.3.1 限幅電路

限幅電路(limiter circuit)是用來去除過高或過低的輸入電壓信號，使電路不 會因為太高或太低的輸入電壓，造成電路工作不正常。如圖3.10 是本系統所使 用之限幅電路，利用雙向二極體限幅，這也是一般電路設計中常用來保護電路的 方法，其工作原理大致如此，當輸入電壓大於0.7V 時，D1 導通 D2 截止，Vout 輸出0.7V，當輸入電壓小於-0.7V 時，D2 導通 D1 截止，Vout 輸出-0.7V，當輸 入電壓介於0.7V 和-0.7V 之間時，Vout 輸出等於 Vin，所以透過限幅電路我們可 以把輸入電壓限制在0.7V 到-0.7 之間，使電路不會因為輸入信號過大造成後端 電路放大飽和。

圖3.10 限幅電路圖

3.3.2 AGC自動增益控制

AGC 電路可以分為兩部分，可變增益放大器(variable gain amplifier，簡稱 VGA) 和控制電壓形成電路，圖 3.11 為 VGA 內部基本電路，基本的動作原理大 致如此，差動電壓由+VIN 和–VIN 輸入時會先通過由閉迴路電壓隨偶器組成的 緩衝級，閉迴路電路中包含一個Rg電阻，流經Rg的電流大小與輸入信號有關，

我們使用兩個相同電晶體Q1 及 Q2 來控制，透過後端的 Rf 電阻及輸出放大器讓 流經Q2 的電流轉換成最後輸出的電壓，當流經 Q2 的電流改變，增益也會隨著 改變，簡單來說，當Vg輸入0V 時，Q1 導通 Q2 不導通，這時沒有電流流過電 阻Rf，VGA 的增益就會強烈的衰減，當 Vg輸入2V 時，Q1 不導通而輸入信號 的電流通過Q2 到達 Rf使得VGA 提供最大的增益。

自動增益控制电路在本系統的功能是當输入信號電壓變化很大時，保持接收 端输出电壓恆定不變化。一般來說，當输入信號很微弱時，接收端會提供最大的 增益，AGC 电路不動作；當接收到的信號很大時，AGC 開始動作，使接收端的 增益隨著輸入信號的大小而改變。如此一來，當接收信號强度變化時，接收端的 输出电壓或功率保持恆定不變化。因此AGC 電必須做到在输入信號微弱時，AGC 電路不起作用，只有當输入信號增大到一定程度後，AGC 電路才開始作用，使

增益随著输入信號的增大而衰減。為了讓AGC 可以隨著輸入電壓大小作改變，

我們必须有一個可以隨著輸入信號強弱而變化的直流電壓大小輸入到VGA，利 用這個直流信號對放大器的增益進行控制。我們可以利用後端倍壓減波電路來提 供一個穩定的直流輸出，在檢波電路输出中除了信號外，還含有直流成分。直流 成分的大小與接受到電壓的大小成正比，因此，可以將倍壓減波後的输出，通過 一個低通濾波器(Low pass filter，簡稱 LPF)，濾出直流成分在經過減法放大器做 為AGC 的控制電壓。

圖3.11 LMH6502 VGA 電路圖

AGC 設計電路如圖 3.12 所示，LMH6502 利用 180Ω及 1kΩ使其最大增益為 20dB，再經過非反相放大器放大 84dB 使其最大增益提升為 80dB，控制電壓型 成電路由倍壓檢波、LPF 電路和減法放大器組成，Vg 利用 LPF 經過減法放大器 做回授控制。

圖3.12 AGC 電路方塊圖

3.3.3 放大電路

接收電壓經過AGC 電路後，接下一級為接收端的放大電路，本系統是利用

ADA4851 IC 來完成，圖 3.13 所示為設計的電路圖，並且兩級增益最高可達到 84dB。在 OPA 的使用上頻寬與增益的關係最為重要，一般來說， ft 必須比所

通過的頻率大10 倍以上，而本系統所選用的 ADA4851 ft 高達130MHz，在放 大倍率上有很大的使用空間，本系統之放大電路除了提供高增益的放大倍率之外，

同時也做為帶通濾波器使用，使系統在運用上除了考慮放大倍率，也可以帶來抑 制雜訊的效果。

圖3.13 放大電路圖

3.3.4 倍壓檢波電路

圖3.14 是半波倍壓檢波电路。輸入的信號 V5 下端先為正半週時 B 點為正、

A 点為負，此時 D1 導通、D2 不倒通。電流通過 D1 由右至左對電容器 C1 充電，

此時在C1 兩端會有一個電壓 V1，電壓極性左負右正。當輸入信號上端為正半 週時，A 點就變為正、B 點為負，此時 D2 導通、D1 不倒通，電流通過 D2 由上 往下對電容器C2 充電，因此 D2 二極體的 P 端如同是加了兩倍的順向電壓，導 通後向C2 充了 2 倍的電壓，這時輸出至負載的電壓就會得到兩倍。

圖3.14 倍壓檢波電路圖

3.3.5 低通濾波器

本系統所使用之低通濾波器，主要是由電阻配合儲能元件所構成，如圖3.15 所示，結構的特徵是由電阻輸入並由電容兩端輸出，低通濾波器的特性是當輸入 電壓一樣大時，輸出電壓會隨著頻率的增高而減少，頻率的選擇是由

f RC π 2

= 1 所

決定，低通濾波器在本系統主要的任務是濾出直流成分，所以頻率設定至16Hz

以下。

圖3.15 低通濾波器電路圖

3.3.6 Schmitt trigger

舒密特激發電路屬於一種正迴授電路，本文所使用的舒密特由運算放大器構 成如圖3.16 所示，假設一開始 Vout 輸出趨近於+Vcc，輸入的電壓由 0V 開始，

當輸入Vin 小於 VTH 時，輸出維持不變，當輸入 Vin 大於 VTH 時，輸出趨近於 -Vcc，輸入電壓 Vin 持續增加，輸出維持不變，輸入電壓 Vin 開始下降時，輸出 亦維持不變，直到輸入電壓Vin 小於 VTL 時，輸出才會改為趨近+Vcc 。

圖3.16 schmitt trigger 電路圖

第四章 系統各級電路量測與整合量測分析

4.1 發射端載波產生電路量測

圖4.1 為載波產生器之電路圖，模擬結果如圖 4.2，振盪器所輸出之電壓為 15Vpp，頻率為 210kHz，量測結果如圖 4.3，量測與模擬結果和理論值相近。

圖4.1 555 Schematic 方塊圖

圖4.2 555 Schematic 模擬結果

圖4.3 555 Schematic 量測結果

4.2 發射端 sensor 輸出量測

如圖4.4 黃色 channel 2 為發射端匹配變壓器輸入信號，藍色 channel 3 為量 測發射端Seneor 之輸出，頻率為載波頻率 210kHz，振幅大小為 14.28Vpp。

圖4.4 發射端 sensor 量測結果

4.3 接收端電路 VGA 量測

圖4.5 為 VGA 電路圖，如圖 4.6 為 VGA 量測結果，綠色 channel 2 為 VGA 之輸入，電壓大小約為132mVpp，藍色 channel 3 為 VGA 之輸出，電壓大小約 為1.25Vpp，頻率為 210kHz，量測結果符合設計，增益約為 20dB。

圖4.5 VGA 電路圖

圖4.6 VGA 量測結果

4.4 放大電路量測

圖4.7 為單級放大電路之電路圖，圖 4.8 為放大電路不加電容模擬結果，綠 色波型為放大電路之輸入，電壓大小約為100mVpp，藍色波型為放大電路之輸 出，電壓大小約為4Vpp，頻率為 210kHz，單級增益為 32dB，符合系統需求，

圖4.9 為放大電路加入電容做帶通濾波器，因為電容的影響使得增益降低，單級 增益降為30dB，圖 4.10 為單級放大電路量測結果，綠色 channel 2 為放大電路之 輸入，電壓大小約為135mVpp，藍色 channel 3 為放大電路之輸出，電壓大小約 為3.8Vpp，頻率為 210kHz 與圖 4.9 模擬結果相近，增益約為 28.1dB。

圖4.7 單級放大電路圖

圖4.8 單級放大電路不加電容模擬

圖4.9 單級放大加入電路模擬

Time

0s 2us 4us 6us 8us 10us 12us 14us 16us 18us 20us

1 V(VOUT) 2 V(VIN) -2.0V

-1.0V 0V 1.0V 2.0V 1 3.0V

-50mV 0V 2 50mV

>>

Time

0s 2us 4us 6us 8us 10us 12us 14us 16us 18us 20us

1 V(VOUT) 2 V(V3:+) -2.0V

-1.0V 0V 1.0V 1 2.0V

>>

-50mV 0V 2 50mV

圖4.10 單級放大量測結果

4.5 倍壓檢波

圖4.11 為倍壓檢波電路圖，圖 4.12 為量測結果，綠色 channel 2 為信號經過 兩級放大電路後所輸出之波型，藍色channel 3 為倍壓檢波輸出，由圖中可以看 出，倍壓檢波已將輸入信號中頻率為210kHz 的載波信號濾除並檢測出波封。

圖4.11 單級放大量測結果

圖4.12 單級放大量測結果

4.6 Schmitt trigger 量測結果

圖4.13 為 Schmitt trigger 電路圖，圖 4.14 為使用 PSpice 模擬 Schmitt trigger 其輸入與輸出關係，圖4.15 為 Schmitt trigger 量測結果，綠色 channel 2 為倍壓 檢波輸出，藍色channel 3 為 Schmitt trigger 輸出。

圖4.13 Schmitt trigger 電路圖

圖4.14 Schmitt trigger 輸入與輸出關係

V(V1:+)

0V 0.5V 1.0V 1.5V 2.0V 2.5V 3.0V 3.5V 4.0V 4.5V 5.0V

V(U1A:OUT) -5.0V

0V 5.0V

圖4.15 Schmitt trigger 量測結果

4.7 整合測試量測

在實際整合測試量測中，發現有許多通道雜訊存在於實驗環境，自然的雜訊，

例如風吹過湖面造成之干擾，水中生物攻擊超音波sensor 所引發之雜訊，水中生 物在傳輸通道間穿梭所造成之雜訊，鴨子與鵝掠過水面所造成之雜訊……等等，

人為雜訊例如抽水馬達對水上及水下所造成之雜訊等，存在環境中的雜訊勢必會 對水下通訊造成影響，本系統在雜訊如此多的環境中測試，依舊可以正確的傳輸 訊號，可以驗證系統有不錯的抗雜訊能力。圖4.16 為系統實際在校內鴨子湖畔 量測之環境，圖4.17 為水中生物在超音波 sensor 附近徘徊，圖 4.18 為風吹過湖 面產生波紋產生干擾，圖4.19 為校內抽水馬達，啟動時將對水上及水下所造成 雜訊干擾。

圖4.16 系統實際量測之環境

圖4.17 水中生物在超音波 sensor 附近徘徊

圖4.18 為風吹過湖面產生波紋

圖4.19 為校內抽水馬達

圖4.20 為超音波距離四公尺時所量測之波型，綠色 channel 2 為接收端接收之信 號輸出，藍色channel 3 為第二級放大輸出， 當時附近抽水馬達正在使用中，所 以通道雜訊比較多，放大輸出的波型比較不完整，圖4.21 同為超音波距離四公 尺量測之波型，綠色channel 2 為第二級放大輸出，藍色 channel 3 為倍壓檢波輸 出，此時抽水馬達已經關閉，由此可以看出通道雜訊對信號的具有一定的影響。

圖4.20 超音波距離 4m 量測結果

圖4.21 超音波距離 4m 量測結果

圖4.18 與圖 4.19 分別為發射接收距離兩公尺及公尺時所量測之波型，黃色 channel 1 為接收端 sensor 接收波型，綠色 channel 2 為信號經過兩級放大器之放 大波型，藍色channel 3 為倍壓檢波輸出，紅色 channel 4 為信號經過 Schmitt trigger 所輸出的波型。

圖4.22 超音波距離 2m 量測結果

圖4.23 超音波距離 4m 量測結果

圖4.20 為發射接收距離十五公尺時所量測之波型，黃色 channel 1 為接收端 sensor 接收波型，綠色 channel 2 為 VGA 電路輸出波型，藍色 channel 3 為第二 級放大電路輸出，紅色channel 4 為信號經過 Schmitt trigger 所輸出的波型，因 為sensor 的指向性，所以在遠距離發射接收時接收端需要準確的對準發射端，才 能接收到最大的發射功率，在圖4.20 中，因為指向性及通道雜訊的影響造成訊 號有部分失真，但當接收端比較精準的指向發射端後，接收到的訊號就明顯的改 善很多，較不會因為雜訊影響而失真，如圖4.21 所示。

圖4.24 超音波距離 10m 量測結果

4.25 超音波距離 10m 量測結果

第五章 結論與未來展望

目前設計完成的部份為發射端電路及接收端電路。本論文所研製之發射接收 電路在許多層面有其特點，電路方面，接收端電路輸入之動態範圍相當廣泛，從 20dB ~ -50dB 具有 70dB 的動態範圍，且具有最大 84dB 最小 34dB 的增益範圍，

在傳輸距離方面，由先期研究中發現，目前水下超音波通訊所應用之距離，多為 短距離通訊，雖然有水下感測通訊網路，但節點對節點通訊距離不長，以至應用

有限，本論文所研製之發射接收電路，最遠通訊距離可達15 公尺以上，已經達

到遠距離傳輸之目的，在抗雜訊方面，因為實驗地點為校內鴨子湖畔，在實驗與 量測的過程中，不乏有許多自然雜訊與人為雜訊干擾，水中的生物不時攻擊超音 波感測器，並且在通訊通道內不斷來回穿梭，湖邊的鴨子不時飛入湖中，造成水 面波紋，這些都是在實驗過程中所面臨的自然雜訊，抽水馬達運轉時對水面以水 下的干擾視為人為雜訊，在這麼多的雜訊干擾下，本系統仍然可以正確的傳輸信 號，所以本論文所研製之發射接收電路抗雜訊佳。

近幾年來超音波感測器成本越來越低，如果想要再提昇傳輸距離，除了提高 發射功率外，也可以將多個超音波感測器排列為矩陣，待其發射及接收時可以提 高超音波感測器的指向性，來提高接收端超音波感測器所接收到的功率，進而提 升傳輸距離，再者，系統本身仍存在許多工程或應用議題需要克服及改進，例如

曼徹斯特編解碼程式撰寫、供應電壓更改為單電源…等等

。

業價值與潛力。

參考文獻

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