信号処理の方法

質問

マイコンの出力を超音波で通信する方法について調べています。

質問したい内容は、下の図の中にある、図２のような信号を
図３の信号に変換する方法です。
http://www.aki7.com/cgi/up/file/signal%282%29.jpg
図１は受信側センサの信号です。振幅は約0.5Vぐらいです。
これを、オペアンプで増幅-＞コンパレータで閾値処理して
図２のような信号に処理しました。処理に使った回路は
http://www.aki7.com/cgi/up/file/%89%F1%98H.JPG
にある通りです。（左の電源は信号とノイズのモデル）

電子回路に詳しい方、解決方法についてヒントでも良いので
お教え願えませんでしょうか？

回答No.4

inara

ANo.2 です。
74HC123のリセット端子（3pim, 11pin) は、ANo.2 のようなリセット回路はつけずに、直接 Vcc(5V)に接続しください。よく考えたら、このIC は、CRで決まる幅のパルスを出せば、自動的に初期状態に戻るので、強制的にリセットする必要ありません。

逆に質問ですが、質問文にある upload ファイルはすでになくなっているのですが、LTC6241 はどこで入手されましたか？データシートは既にdownload して持っていますが、こんなにスルーレートの大きいCMOS OPアンプがあるとは知りませんでした。CMOS OPアンプはバイアス電流が小さくて単電源で使えて便利なのですが、スルーレートが小さくて用途が限られていました。これ以外にスルーレートの大きいCMOS OPアンプがあったら紹介してください（Linear Technologyのは一通り見ました）。よろしくお願いします。

回答No.3

inara

お返事が早いですね。
分からないところは、このまま質問を締め切らないで追加質問してください。

お礼

LTspiceに74HC123のモデルを取り込み、シミュレート
してみた所、期待通りの結果を得ることが出来ました！
早速部品を買い揃えて、実際の回路で実験してみたいと
思います。

回答No.2

inara

1パルスでも動作するデジタル回路を考えてみました。入力に 0-5V振幅のパルス列を入れると、出力にパルス列をつなげたような波形が出力されます。

　　　　　　┌────────┐　　TC74HC123AP
　　　　　　│ 1┏━━━┓13　 │　　 9┏━━━┓5
　入力 ─┴─┨1A　1Q┠─┐│　　┌┨2A　2Q┠──┐
　　　　　　 　　┃　　　　　┃　 ││　　┷┃　　　　 ┃　　　│
　　　　　 ┌─┨1B　　　┠　 │└──-┨2B　　 ┠　　　　＝ AND → 出力
　　　　　 │ 2 ┗┯━━┛　 │　　　 10 ┗┯━━┛　　　│
　　　　　 │　　　│3 　　　　　│　　　　　　　│11　　　　　 │
　　　　　 │　　　│　　　　　 　└─────）─────┘
　 5V ─┤　　　└-┬────────-┘
　　┌─┤　　　　 　│
　　▲　R1　　　　 　│
　　└─┤　　　　　R3
　　　　　├─ R2 ─┤
　　　　 SW　　　 　 C1
　　　　　┷　　　　　 ┷

　　　　 5V
　　　　 ├┬─┐
　　　　 │R　　▲
　　　　 │├┬┘
┠ C1 ┤│C
　　　┏┷┷┷┷┷┷┷┷┓
　　　 ）　TC74HC123AP　 ┃Top View
　　　┗┯┯┯┯┯┯┯┯┛
　　　　　　　　　　　　C │┷
　　　　　　　　　　 ┌┴┤
　　　　　　　　　　 ▼　 R
　　　　　　　　　　 └─┤
　　　　　　　　　　　　　5V
　　（抵抗）
　　R1 = 100kΩ、R2 = 1kΩ、R3 = 10kΩ、R = 25kΩ（100kΩと33kΩの並列接続）
　　（コンデンサ）
　　C1 = 0.1μF（積層セラミック）、C = 1000pF（フィルムコンデンサ）
　　（その他）
　　▼▲ = ダイオード（小信号用）、SW = タクト（プッシュ）スイッチ、┷ = GND (0V)
　【図１　回路図】

入・出力波形は以下のようになります。出力信号には12.5μsの遅延がありますが、１パルスでも検出できます。なお、図１のスイッチ（SW）はリセット用です。電源を投入時にリセットされるようになっていますが、何らかの原因で出力パルスがHレベルに張り付いてしまったときは、このスイッチでリセットすることができます。

　　　　　　１パルスの場合　　２パルスの場合
　　　　　　←→12.5μs　　　　←　37.5μs →
　入力　＿￣￣＿＿＿＿＿＿￣￣＿＿￣￣＿＿＿＿＿＿

　　　　　　　　　←31.3μs→　　　　　　　　　　 ←31.3μs→
　1Q　　＿＿＿￣￣￣￣￣＿＿＿￣￣￣￣￣￣￣￣￣＿

　　　　　　 ←31.3μs→　　　　　　　　　　 ←31.3μs→
　2Q　　＿￣￣￣￣￣＿＿＿￣￣￣￣￣￣￣￣￣＿＿＿

　　　　　　　　　 ←─→　18.8μs　　←　43.8μs ─→
　出力　＿＿＿￣￣￣＿＿＿＿＿￣￣￣￣￣￣￣＿＿＿

　【図２　タイミングチャート】

1Q出力には、入力の「立下り」からある時間だけパルスを出します。2Q出力は入力の「立上がり」から同じ幅のパルスを出します。74HC123には「リトリガ機能」があって、1Qや2Qがパルスを出している途中で再度入力からのトリガがかかると、その時間からまたパルスを出します（つまり出力パルスがつながる）。したがって、短時間に複数のパルスが入ると、その数に応じて、1Qや2Qに出てくるパルス幅が長くなります。R の値を調節して、１パルスの信号を入れたときに、1Qまたは2Qのパルス幅が31.3μs( = 2.5×12.5μs）となるようにします。図１の値は、手元に74HC123がなかったので、74HC221（リトリガ機能なし）で実験してみた結果です。最後のAND回路はなくてもいいかと思います（その場合、AND回路ありのときと出力パルスの幅が変わりますが）。

[1] TC74HC123APデータシート　http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/datasheet/ja/LogicIC/TC74HC123AF_TC74HC123AP_ja_datasheet_071001.pdf

お礼

回路図、配線図、タイミングチャートまで示していただけるとは、
解答を見た瞬間驚きの一言です！
回路の動作に関しては、自分でもきっちり理解し、回路を作って
身に付けたいと思います。
inaraさんの過去の解答を見ても技術力の高さに
驚くばかりです。自分もエンジニアを目指す身として、一層の
努力をしていかねばならないと痛感しました。
本当にありがとうございました。

回答No.1

inara

キャリア信号（40kHz）のパルス数の最小値と最大値はどれくらいですか？

このような信号は、パルス数によってDCレベルが変動するので、単にローパスフィルタ(LPF)を入れて、あるスレッショルド電圧で切っても誤動作する可能性があります。ビデオ信号処理で行われているように、入力信号の最低電圧を固定するクランプ回路が必要となると思います。

実は、ご質問のようなバースト信号をLPFに入れて波形を観測してみたのですが、パルス数によって出力信号のDCレベルが変動すること、1パルスを検出させようとする（LPFのカットオフを上げる）と、多パルスのときにキャリア信号が残ってしまう（DCが重畳した鋸歯状波になる）ことが分かりました。

いろいろ実験してみたいので、パルス数の範囲を教えてください。それと、遅延時間（入力パルス列と成形された信号との時間差）はどれくらい許容できますか？

お礼

パソコンからpicへUSARTを用いて1200bpsで通信しようと考えて
おり、パルス数の最小は約30、最大は約240と考えております。
遅延時間に関しましては、目に見えて遅れなければ問題ありません。
1バイト送るのにかかる時間が6.66msなので、5ms程度は十分に
許容範囲だと思います。ただし、非同期での通信が目的なので
処理毎に遅延時間が大きく変わるのは、問題ありです。

本当に、信号処理の知識や常識が無いので、色々と
聞いて回って回路を製作しているのが現状です。
お手数おかけしますが、よろしくお願いいたします。