공진 주파수
공진 주파수는 물체가 자연적으로 진동하는 주파수를 말합니다. SE-400ST160과 같은 초음파 센서에서 이는 효율성과 측정 정확도를 결정하는 중요한 요소입니다. 이 센서는 공진 주파수에서 가장 효과적으로 작동하며, 이 주파수는 입력 에너지에 비해 가장 높은 출력을 생성합니다. SE-400ST160의 경우, 이 주파수는 40kHz로 설정되어 있어 초음파 응용 분야에서 최적의 성능을 발휘합니다.
40kHz 주파수는 초음파 거리 센서에 이상적입니다. 거리 측정에 충분한 해상도를 ㅈ공하면서 공기에 의한 흡수를 너무 많이 받지 않는 적절한 길이의 파장을 갖습니다. 이 주파수는 로봇공학부터 차량 거리 센서에 이르기까지 다양한 응용 프로그램에서 사용됩니다.
15Hz 주파수는 매우 낮은 주파수로, 초음파 센서의 거리 측정과는 다르게 주로 트리거링 또는 제어 목적으로 사용됩니다.
NE555 타이머 IC
NE555 타이머 IC는 다양한 타이밍과 발진 기능을 수행할 수 있는 범용 집적회로 입니다.
에스터블 모드(Astable mode)
- NE555은 발진기로 작동하여 연속적인 펄스를 생성할 수 있습니다. 이 모드에서는 외부 저항과 커패시터를 사용하여 펄스의 주파수와 듀티 사이클을 설정할 수 있습니다.
모노스테이블 모드(Monostable mode)
- 이 모드에서 NE555는 한 번의 트리거 신호에 의해 단일 펄스를 생성합니다. 펄스의 지속 시간은 연결된 외부 저항과 커패시터에 의해 결정됩니다.
바이스테이블 모드 (Bistable mode)
- 두 개의 안정된 상태를 갖는 플립플롭으로 작동합니다. 이 모드에서는 트리거 입력과 리셋 입력을 사용하여 출력 상태를 제어할 수 있습니다. 이 모드에서는 트리거 입력과 리셋 입력을 사용하여 출력 상태를 제어할 수 있습니다.
NE555의 출력 핀은 최대 200mA의 전류를 구동할 수 있어, 직접 LED, 릴레이, 소형 모터 등을 구동할 수 있습니다.
NE555는 넓은 범위의 전원 전압 (4.5V ~ 15V) 에서 작동할 수 있으며, 이로 인해 다양한 응용 분야에서 유용하게 사용됩니다.
타이머, 펄스 생성, 딜레이 회로, 알람 시스템, 깜빡이 회로, 주파수 발진기 등 다양한 용도로 사용됩니다.
해당 신호처리 프로젝트에서 사용된 NE555 타이머 IC는 초음파 펄스를 생성하는데 사용되고 있습니다.
애스터블 모드 (Astable mode) 로 설정되어 연속적인 펄스를 발생시키고 있고 이는 일반적으로 거리 측정 또는 모션 감지와 같은 응용 프로그램에서 요구되는 기능입니다.
애스터블 모드에서는 NE555에 외부 저항과 커패시터를 연결하여 펄스의 주파수와 듀티 사이클을 조정할 수 있습니다. 이를 통해 초음파 센서가 적절한 속도로 펄스를 발산하고, 해당 신호를 사용하여 물체와의 거리를 측정할 수 있게 됩니다.
계산식과 파라미터
NE555 IC > TX_CONNECT
NE555 타이머에서 나온 아날로그 펄스를 받아서 디지털 신호로 변환합니다. 이 과정에서 신호의 노이즈를 제거하고, 더 안정적인 상태의 디지털 신호를 생성하여 신호의 정확성을 보장합니다. (4584 Schmitt Trigger)
커패시터는 이 디지털 신호에서 AC 성분만을 통과시키는 필터 역할을 합니다. DC 성분은 제거되어, 변동성이 적은 깨끗한 AC 신호만이 다음 단계로 전달됩니다.
TX 커넥터를 통해 이 깨끗한 AC 신호는 공중으로 초음파를 발사하는데 사용됩니다. 이렇게 발사된 초음파는 주변 객체에 반사되어 다시 센서로 수신되며, 이 정보를 바탕으로 거리를 계산할 수 있습니다.
TX > RX
수신된 신호는 rx를 통해 들어옵니다. 수신된 초음파 신호는 약할 수 있으므로, RG4058 앰프를 사용하여 신호를 약 100배까지 증폭합니다. 이는 신호를 분석하기 충분히 강하게 만들어 주며, 후속 처리 단계에서 신호의 세부 정보를 더 잘 추출할 수 있게 합니다. (저항R8, R9, 커패시터C6, C7)
증폭된 아날로그 신호는 다이오드를 통해 반파 정류되어 AC 신호의 한 부분만을 DC로 변환합니다. 이후 커패시터를 사용하여 신호를 평활화하여 더 깨끗하고 안정적인 DC 신호로 만듭니다.
평활화된 DC 신호는 LM358 연산 증폭기를 통해 최종적으로 처리되는데 이 단계에서 신호는 필요에 따라 추가 조정을 거쳐 최 출력으로 사용됩니다. 디지털 장치나 디스플레이에 적합한 형태로 신호를 변환하는 데 기여합니다.
최종처리
LMC555 타이머로 1m의 최대 측정 거리에 해당하는 속도(340m/s)로 정확한 주파수의 펄스를 생성합니다. 이는 초음파 센서가 물체에 펄스를 발사하고, 그 반사된 신호를 수신하는 데 사용합니다.