基于PGA460超声波传感器信号调理器的参考设计

智能物联网时代，接近检测传感器成为智能设备的主要感官。这些传感器通过测量反射的红外线(IR)、超声波等能量来检测物体或人的存在，感测人的肢体语言。本参考设计基于PGA460超声波传感器信号调理器，是一种单传感器的发送和接收操作的小型解决方案，可实现0.3-5m范围内的物体检测。方案的物体检测不受环境温度、湿度和目标颜色/透明度的影响，可用于位置测量、占位检测、超声波泊车辅助系统等。

方案特点

超声波飞行时间传感器（ToF）基于空气耦合换能器，可测量单个或多个物体的距离。本方案中的PGA460是一款具有数字信号处理器的集成式超声波前端器件，输出飞行时间数据、回声宽度和振幅信息。通过电流限制变压器可配置驱动器强度，接收器经调节可过滤和处理返回的回波数据，以便在测量后进行分析。

方案可使用PGA460 EVM GUI定制、配置和控制超声波设置，并监控发生的超声波事件的性能。主要特点包括：
- 集成驱动器和接收器，可实现超声波检测。
- 与在30-80kHz和180-480kHz中心频率运行的超声波传感器兼容。
- 能够使用变压器驱动器生成最大声压级。
- 能够访问PGA460-Q1提供的所有通信接口，包括USART（UART和SPI）、TCI和单线UART。
- 记录物体检测时间，空中距离高达11m。
- 其最大范围会受极小或软目标的影响。

应用设计时，首要确定最大和最小测量距离，推荐距离为30cm到5m之间。距离越短，但传感器测量的挑战越大，因为传感器要同时兼顾发射和接收要素，同时还会出现谐振衰变。为提高短距离性能，不要采用匹配网络进行补偿。该网络由感性元件、容性元件和阻性元件组成，可减小测量的阈值时间，提高最小测量距离。为了获得接近0cm的测量距离，建议采用双传感器结构配置。

威廉希尔官方网站 中，UTR-1440K超声波变送器是IP65防护等级的超声波发射器/接收器，将高频率电压信号转换为触发超声波接收器的音频信号发射出去，受目标频率激活时可将高频率转换为交流电压。

PGA460-Q1芯片用来驱动超声波变送器，并对发射和接收的超声波信号进行处理。该芯片配备先进的DSP内核，具有一个互补低侧驱动器对，可以在基于变压器的拓扑中使用升压变压器驱动变送器，或在直接驱动拓扑中使用外部高侧FET驱动变送器。器件可以接收和调节反射的回波信号，以实现物体的可靠检测。PGA460-Q1可进入超低静态电流低功耗模式以减少闲置时的功耗，并且可在通信接口上使用指令将其唤醒。

芯齐齐BOM分析

本方案核心元件包括一个UTR-1440K超声波变送器和一个PGA460超声波信号处理器和传感器驱动器。

UTR-1440K是分立式超声波发射器/接收器，驱动电压140VP-P，电容值1,800±15%pF，回波敏感度200mV，衰减时间1.2mS，中心频率40,000Hz，工作温度范围-40~+80°C，可用于距离测量、液流和液位系统，超声波清洗系统或玻璃破碎检测等场景。

PGA460采用TSSOP-16封装，是用于超声波传感的完全集成式解决方案，单一芯片集成了超声波信号处理和传感器驱动功能，可以接收和调节反射的回波信号，以实现物体的可靠检测。PGA460还具有系统诊断和适用于过压、欠压、过流和短路情形的电源侧和收发器侧诊断功能，主要用于超声波雷达、目标距离和位置感知、人体接近检测、运动传感器、无人机和机器人着陆协助和障碍检测等场景。

调谐电容C7容量选择0402尺寸330pF容量的C0G/NP0 MLCC电容器，容差控制在+/- 5%以内。与之对应的电阻器R4阻值为100Ω，精度在1%以内。

阻尼电阻R3与超声波变送器并联，用以缩短回波的衰减时间，取值一般在500Ω-30kΩ之间，建议先用电位器微调确定，本设计采用0603尺寸的3.9kΩ。

退耦电容C3容值选择3900pF，容差+/-5%精度的0603尺寸C0G/NP0电容器。这些元器件均为STD标品，可按照BOM表提供PartNumber原厂采购，也可从硬之城（allchips）一站购齐，这样更容易达到设计目标。

　　审核编辑：汤梓红