Aufbau des HC-SR04 Ultraschall-Entfernungsmessmoduls
Das HC-SR04 Ultraschall Entfernungsmessmodul besteht aus einem Piezolautsprecher zum Senden und einem weiteren zum Empfangen von Ultraschallsignalen mit 40.000 kHz Frequenz. Das Modul wurde über die letzten zehn Jahre mehrfachen Revisionen unterzogen, so dass die aktuell erhältliche Revision „2020“ von der ursprünglichen und den zwischenzeitlichen abweicht. Als Anhaltspunkt kann dennoch die Hardwareanalyse von PC Services UK zu der Revision von 2017 dienen, die im Folgenden von uns verifiziert und in den abweichenden Punkten analysiert wurde.
Über einen RCWL9300 bezeichneten Mikrocontroller wird ein Piezolautsprecher zum Senden von Ultraschall-Impulsen angesteuert. Im Gegensatz zur ursprünglichen Version steuert der Mikrocontroller den Piezolautsprecher direkt an und nicht über einen weiteren Prozessor. Der Piezo wird mit 40.000 kHz und einem 50% Dutycycle betrieben, Vss beträgt ca. 3,4 V DC. Spätere Messungen werden zeigen, dass es keinen Unterschied im Empfangssignal gibt, wenn mit einem symmetrischen Signal gesendet werden würde, so wie es nach der Analyse von PC Services UK in der Ursprungsversion der Fall war.
Auf der Empfangsseite sitzt ein Piezolautsprecher, der dem Sendebauteil identisch zu sein scheint. Das Signal wird vom Piezo aufgenommen und in einen LM324 (Bezeichnung U1 auf der Platine) Vierfach-Operationsverstärker gespeist. Der erste OP (OP4) wird für eine Vorverstärkung um den Faktor 5 genutzt, bevor es in den zweiten OP (OP3) gespeist wird. Im Schaltplan zu den Revisionen bis 2017 ist der zweite OP (OP3) als Bandpassfilter mit einer Mittenfrequenz von 40 kHz ausgelegt.
Durch Entfernen des Empfangs-Piezos und Direktansteuerung des LM324 mit Hilfe eines Signalgenerators konnte erkannt werden, dass der Bandpass in der Revision von 2020 nicht mehr vorhanden ist: bei einem Rechteck-Eingangssignal von 0-1 V mit 50% Tastgrad ist keine Dämpfung der Amplitude bei halber und doppelter Mittenfrequenz von 40 kHz zu beobachten. Eine FFT-Analyse des Signals mit Hilfe eines Wobble-Eingangssignals war auf Grund der minimalen Rasterauflösung in den mathematischen Funktionen des verwendeten Oszilloskops von 250 kHz nicht sinnvoll durchführbar.
Stattdessen lassen der Vergleich von Eingangs- und Ausgangssignal erkennen, dass diese OP-Stufe für eine erneute Signalverstärkung genutzt wird.Das Ausgangssignal des zweiten OP (OP3) wird in den dritten OP (OP2) gespeist, welcher eine weitere Verstärkung bewirkt. Im Gegensatz zum 2017er Design wird in der aktuellen Revision der vierte Operationsverstärker (OP1) im LM324 Baustein nicht benutzt. Zusammen mit dem fehlenden Bandpass erklärt dies auch die im Vergleich zur 2017er Revision geringe Anzahl an Widerständen und Kondensatoren.
Das Signal wird nach der Verarbeitung durch den dritten OP zur Auswertung in den mittleren Mikroprozessor (U2) gespeist und nicht in U3 wie in alten Revisionen. In der aktuellen Revision übernimmt der mit RCWL-9206 bezeichnete Baustein U3 lediglich die Kommunikation des Moduls mit dem dafür eigentlich vorgesehenem Arduino Mikrocontroller.
