本設(shè)計(jì)是在盲人或弱視者雙腳的鞋底上安裝電子裝置，用超聲傳感器精確測(cè)量鞋底前掌中心與地面的距離，將距離轉(zhuǎn)換為時(shí)間，再將時(shí)間轉(zhuǎn)換為電壓，由壓控振蕩器產(chǎn)生聲頻振蕩，其頻率與距離相關(guān)。再經(jīng)過無(wú)線傳到盲人頭部的接收電子裝置，驅(qū)動(dòng)耳機(jī)，雙鞋的共用一個(gè)信道，因?yàn)樽呗穬赡_不能同時(shí)離地，左／右只有一路工作．當(dāng)抬起一只腳時(shí)，鞋底上的傳感器檢測(cè)到大于10厘米就有聲頻產(chǎn)生，距離越大，聲調(diào)（頻率）越高，平地走路聲調(diào)高低變化平緩。下樓梯時(shí)，腳抬起一前邁——下落，能正常聽到聲調(diào)高低較大的變化．遇到深坑大于30cm聲調(diào)會(huì)很尖，起提示作用。其原理框圖如下圖所示。

1．時(shí)序信號(hào)的產(chǎn)生

因?yàn)橛秒姵毓╇?，電壓隨著使用時(shí)間會(huì)逐步下降。

用通常的RC振蕩器頻率不穩(wěn)定。用通常收音機(jī)的465kHz的陶瓷振子產(chǎn)生振蕩，再經(jīng)過12分頻，得到39kHz信號(hào)，再經(jīng)過一系列的分頻可以得到所需得各種時(shí)序脈沖信號(hào)。4069內(nèi)部只有一級(jí)CMOS反相器，一般稱非緩沖門，用“UB”表示，適合做32KHz到465kHz的晶體振蕩器，下圖中R2的負(fù)反饋使UID工作在線性放大區(qū)，約為1/2電源電壓。UID第9腳有一個(gè)微弱的變化經(jīng)過UID，UIE兩級(jí)反相，得到同相位的放大r的信號(hào)，經(jīng)過X2三端陶瓷濾波器，只有465kHz的信號(hào)能通過，正反饋到UID第9腳。形成連續(xù)的振蕩。這時(shí)如果取走R2照舊有振蕩。沒有R2，剛接通電源時(shí)UID第9腳可能只有零點(diǎn)幾伏，第8腳輸出高，UIE第11腳低。

處于開關(guān)狀態(tài)，不能對(duì)小信號(hào)放大。不起振。偶爾觸一下第9腳可能開始工作，但不一定穩(wěn)定。可見R2的作用把UID第9腳電平拉到線性區(qū)。如果把74HC04代替4069，因?yàn)?4HC04內(nèi)部每個(gè)門有三級(jí)反相門，接上R2后已經(jīng)形成奇數(shù)級(jí)環(huán)形振蕩器的結(jié)構(gòu)，即使沒有X2已經(jīng)有若干兆赫茲的振蕩。接上X2也難達(dá)到目的。C4，C5，C6是匹配電容。還可以微調(diào)頻率。接上后實(shí)際頻率為470kHz。

U2是D觸發(fā)器，時(shí)鐘從低到高時(shí)Q的狀態(tài)等于D。如果把Q和D連接起來，就成為二分頻器，時(shí)鐘每來一次翻轉(zhuǎn)一次。開始，Q=0O，Q=1，D=Q就等于1，時(shí)鐘來一次，Q變成1，Q=0，D=Q就等于0，為下一次時(shí)鐘來Q變成0做好準(zhǔn)備。時(shí)鐘變二次，Q變一次，就是二分頻器。把兩級(jí)D觸發(fā)器串聯(lián)起來，就成為四分頻器?，F(xiàn)在要三分頻，就要加一定的反饋。簡(jiǎn)單的方法如下圖所示。U2A是二分頻器，其輸出，Q1送U2B的時(shí)鐘，Q1變O，Q1變1，Q2就翻轉(zhuǎn)。沒有反饋時(shí)Q2Q1的狀態(tài)是00，01，10，11。等到11狀態(tài)立即清0，與非門U3D兩個(gè)輸入端都為1，輸出0，U3C輸出1，D觸發(fā)器清0。

R1的作用是延遲，加寬清0脈沖到300ns，1/3信號(hào)可以從U3C輸出，也可以用Q2，不能用Q1。

155kHz信號(hào)送到12級(jí)二進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器4040的U6的第10腳時(shí)鐘端。異步計(jì)數(shù)器相當(dāng)于12個(gè)接成二分頻的D觸發(fā)器串起來，上一級(jí)從1向0變化時(shí)下一級(jí)才能翻轉(zhuǎn)，每級(jí)有5差不多500ns的傳輸延遲，而且逐級(jí)累積。下圖是各級(jí)波形圖，顯然，周期為206us的信號(hào)先從1變0，3.3ms周期的信號(hào)延遲約3μs從0變l，觸發(fā)U4A、U4B翻轉(zhuǎn)輸出為1。

在周期為206μs的信號(hào)的負(fù)脈沖期間，時(shí)間等于103μs-3μs，U4A輸出CK1維持1，在206μs的信號(hào)的正脈沖期間，信號(hào)接U4A的第4腳R端，CK1清0，這種狀態(tài)一直要等待3.3ms，周期性的觸發(fā)信號(hào)再次來到，才重復(fù)出現(xiàn)一次。CK1的脈寬100μs，周期3.3ms。

同樣，可以分析CK2的脈寬410μs，周期3.3ms。因?yàn)榍?信號(hào)的極性問題，下圖的4013不能用74HC74代替。

4040的第7腳輸出39kHz信號(hào)和CK1通過U3A合成含有4個(gè)脈沖的OUT信號(hào)，送驅(qū)動(dòng)級(jí)。CK1和103}Ls通過U3A合成CK11，是CK1正脈沖的后一半為高的，周期為3.3ms的信號(hào)。CK21則是CK2正脈沖的后一半為高的，周期為3.3ms的信號(hào)。這些信號(hào)以后都有用。

2、發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路

因?yàn)槌晜鞲衅鞯妮斎腚娙葸_(dá)2700pF之多，低壓下用單個(gè)CMOS反相門驅(qū)動(dòng)效果差，現(xiàn)在用兩兩并聯(lián)推挽驅(qū)動(dòng)（如下圖所示）。虛框中是用收發(fā)兩用頭L1的電路。當(dāng)發(fā)射時(shí)，L1和傳感器串聯(lián)諧振，加強(qiáng)發(fā)射；當(dāng)接收時(shí)，OUT1和OUT2固定電平相當(dāng)于交流接地，L1和傳感器并聯(lián)諧振，加強(qiáng)接收信號(hào)。理論上想得很好，實(shí)際試驗(yàn)效果很差。所以后面試驗(yàn)都是收發(fā)兩個(gè)頭做的。兩個(gè)頭并列安裝，距離2.5cm，出口離地最小1cm，由于超聲波長(zhǎng)8.5mm.出口前加有0.5mm粗的金屬防護(hù)條不會(huì)影響效果。

3、接收放大電路

上圖的三級(jí)5倍帶通濾波器的計(jì)算與設(shè)計(jì)與上期類似，不過這里用晶體管代替運(yùn)算放大器，原理是一樣的，可以更省電，體積更小。信號(hào)從USIN進(jìn)入，當(dāng)CKl:1時(shí)，發(fā)射期間，VT2短路信號(hào)，防止強(qiáng)信號(hào)竄入放大器。放大的信號(hào)從Hl，H2輸出。

由于安裝在同一塊印制板上，有機(jī)械耦合。從中圖、下圖看出，在發(fā)射信號(hào)后300μs處有一個(gè)固定的接收峰（機(jī)械耦合），這個(gè)信號(hào)小于7cm距離地面的反射波信號(hào)，而與距離20～30cm的反射波信號(hào)大小相仿。而且背景雜音頻率39kHz幅度約1mV。檢測(cè)有一定難度。我們按信號(hào)強(qiáng)度Hl、H2分兩段檢波，按延遲時(shí)間（距離）分成三種情況分析：①距離地面7cm的情況，輸入信號(hào)特別大，經(jīng)過一級(jí)放大已經(jīng)超過200mV（Vpp）這時(shí)把信號(hào)從Hl送到第一檢波器。檢波器檢測(cè)到有信號(hào)，就有DETOUT2=1。這時(shí)第二檢波器可能也收到信號(hào)（信號(hào)在410us處兩邊各一半）．也可能收不到信號(hào)。②距離地面7cm～30cm，接收到的信號(hào)因距離由近到遠(yuǎn)而從很大逐步減小，最后被1mV（Vpp）的背景雜音淹沒。同時(shí)信號(hào)的延遲從410μ～33mS放大器的放大倍數(shù)125倍，雜音放大到125mV，信號(hào)250mV以上時(shí)被第一檢波器檢測(cè)到，DETOUT1=1。這時(shí)DETOUT2：0，DETOUT1=l或0（較遠(yuǎn)情況）③距離地面30cm~50cm，信號(hào)檢測(cè)不到，DETOUT2=DETOUT1=0。第一種情況，要求靜音；第二種情況，要求變調(diào)發(fā)聲；如果接收不到就同③；第三種情況要求發(fā)出警告性音調(diào)的聲音。圖中C16，L1，BC9用于電源濾波作用。

4．檢波放大電路

一般的二極管檢波器，由于二極管的正向壓降而有損耗，特別是小信號(hào)情況。下圖利用運(yùn)算放大器的高增益，抵消了二極管的正向壓降損耗實(shí)現(xiàn)理想檢波。

H2的負(fù)半周經(jīng)過Ala反相放大成為很大的正信號(hào)，通過D4到達(dá)Alb的正極性輸入端，C12充電到峰值，Alb接成跟隨器電路，第7腳信號(hào)永遠(yuǎn)和第5腳一致。R17和W2串聯(lián)負(fù)反饋到A1c的第10腳。這時(shí)D3因反偏不起作用。Ala反相放大是有限制的，根據(jù)運(yùn)算放大器的“虛開”和“虛短”的假設(shè)，在峰值時(shí)，14腳通過R17+W2反饋到2腳的電流和H2通過R15的電流之和為零。UH2/R15+U14/（R17+W2）=0，U14/UH2=-（R17+W2）/R15=-1～-10倍。H2負(fù)半周而又小于峰值時(shí)，反饋電流絕對(duì)值超過輸入電流，把2腳拉高，1腳變低，D3導(dǎo)通吸收反饋電流。維持2腳和3腳電壓相同。（虛短）當(dāng)正半周情況，Ala反相放大輸出1為低，D4不通，D3導(dǎo)通吸收正半周電流。調(diào)節(jié)電位器可以控制檢波增益。

CK2=0期間VT5導(dǎo)通，檢波輸入端被拉高，輸出DETOUT1=0。為了滿幅度輸出，這里要用所謂“軌至軌”

CMOS運(yùn)放，用LM324不行。市售TLC2274常見SOD封裝形式的，試驗(yàn)時(shí)做一個(gè)替換座轉(zhuǎn)成DIP便于插拔。

5．距離-脈寬-數(shù)字轉(zhuǎn)換

電路如上圖所示，CK21是S信號(hào)，CK21正脈沖上升時(shí)間，通過U11C=1，UIB=0，U1D=OU3B=1（指輸出端），COUNT_EN=1（開始計(jì)數(shù)）返回到U11C的輸入端完成—個(gè)R-S觸發(fā)器的置位過程，雖然CK21上沖消失，依然存在置位狀態(tài)。DETECT2是R信號(hào)，DETECT2=1，U11D=1，U3B=0，U11C=0，UIB=1；復(fù)位狀態(tài)，COUNT_EN=0（停止計(jì)數(shù)）。DETECT1是優(yōu)先復(fù)位信號(hào)，不論CK21有沒有上沖，只要有DETECT1=1，就有COUNT_EN=0。

在下圖中，U5-4520是雙16進(jìn)制計(jì)數(shù)器，COUNT_EN控制計(jì)數(shù)閘門，COUNT_EN的脈寬就含有多少個(gè)19.5KHz，就計(jì)多少數(shù)。這個(gè)數(shù)在CK1的上升時(shí)間，被鎖存在U10-40174中。然后CK11來，把計(jì)數(shù)器清零，為下一次計(jì)數(shù)作準(zhǔn)備。CK1上升時(shí)間與CK11有50uS的時(shí)間間隔。U5B與U5A的級(jí)聯(lián)，U5B - Q3要接到U5A-EN，即用下降沿計(jì)數(shù)，U5B - Q3從1到0，高一位的計(jì)數(shù)加l。不能用CP。在試驗(yàn)階段暫時(shí)將D5~ Dl0接入，檢測(cè)N5~ NO的狀態(tài)。這是典型的6位二進(jìn)制數(shù)，N5~ NO= 000000～111111，表示距離由近到遠(yuǎn)。

6．?dāng)?shù)字-電壓-音調(diào)轉(zhuǎn)換電路。

下圖中R23~ R34構(gòu)成R- 2R梯形D/A轉(zhuǎn)換電路，關(guān)于其原理，教科書中有敘述，這里不再重復(fù)。電阻用5圈色環(huán)的，最后一圈是棕色的（1%）即可，最好用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)一下，挑選阻值接近標(biāo)稱值使用。N5~N0= 000000，對(duì)應(yīng)輸出電壓0，N5～N0：111111，對(duì)應(yīng)輸出電壓VCC乘63/64。共有64種不同電平。因?yàn)镃K2的脈寬410uS期間不會(huì)有檢波信號(hào)，實(shí)際0.8的數(shù)據(jù)不存在。4046是一塊鎖相環(huán)，主要用途是：數(shù)字頻率合成、相位鑒別、V-F轉(zhuǎn)換等。我們只用其V-F轉(zhuǎn)換功能。直流電平加到U11 - 4046的壓控振蕩器的輸入端9腳，電壓越高，振蕩頻率越高。選擇合適C14和調(diào)節(jié)W3，可以調(diào)節(jié)頻率，該電阻電容影響V-F特性曲線的斜率。最高頻率是輸入Vcc情況，調(diào)到FMax=5KHZ，當(dāng)輸入9/64Vcc時(shí)音調(diào)下降到100HZ或更低，為了在下端能聽到較高音調(diào)，在U11的12腳接一個(gè)100K -500K電阻，調(diào)到Fmin=100HZ。該電阻的接入影響V-F特性曲線向上平移動(dòng)一個(gè)固定值。試驗(yàn)中可以VT6和耳機(jī)聽。試驗(yàn)完后將SOUND接到無(wú)線發(fā)送模組。為了雙腳交替發(fā)射，當(dāng)某腳著地時(shí)，該腳的DETOUT1=1，U12A，B均清零，如右圖所示。不管CK1是否來．RFOFF -直為0，關(guān)斷該腳的無(wú)線發(fā)送模組。抬起腳，DETOUT1=0，CK1來兩次，D觸發(fā)器把Vcc從5腳的D送到1腳的Q，再送到13腳的Q，使RFOFF變高，啟動(dòng)該腳的無(wú)線發(fā)送模組。由于走路時(shí)不能兩腳同時(shí)離地，只有抬起的腳有發(fā)射，實(shí)現(xiàn)雙腳輪流導(dǎo)盲的目的。

設(shè)計(jì)時(shí)注意要在每塊數(shù)字電路的電源到地之間接一個(gè)旁路電容器BCn。似乎沒有多大用處。其實(shí)從提高可靠性來說很重要。因?yàn)楦鱾€(gè)信號(hào)都集中在某些時(shí)鐘跳變的時(shí)刻變化，這時(shí)CMOS電路內(nèi)部的NMOS管，PMOS管都導(dǎo)通，而且電平的跳變要對(duì)負(fù)載充放電，這個(gè)時(shí)刻電源電流突然很大，印刷電路板引線的分布電感阻礙電流突變，電源電壓就瞬時(shí)下降，如果這時(shí)這塊電路所有輸出高電平的管腳上都帶一個(gè)下跳的尖毛刺。同樣地線的引線的分布電感造成所有輸出低電平的管腳帶一個(gè)上跳的尖毛刺。為了防止這種情況發(fā)生，旁路電容器BCn接在電路的VDD與GND之間，由于電容的電壓不能跳變，大大減少了毛刺的發(fā)生。當(dāng)然這個(gè)電容不能離開被保護(hù)的電路太遠(yuǎn)。