解析集成滤波器MAX275在超声检测中的应用
“本文介绍了用MAXIM公司的连续时间滤波器MAX275的设计方法。着重阐述MAX275在Motorola 68HC908GP32微控制测距系统中的应用及该系统的结构组成。”
超声检测技术是利用超声波在媒质中的传播特性（声速、衰减、反射、声阻抗等）来实现对非声学量（如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等）的测定。它的基本原理是基于超声波在介质中传播时遇到不同的接口，将产生反射，折射，绕射，衰减等现象，从而使传播的声时，振幅，波形，频率等发生相应变化，测定这些规律的变化，便可得到材料的某些性质与内部构造情况。
与传统超声技术完全不同，新的超声技术具有以下特点：在不破坏媒质特性的情况下实现非接触性测量，环境适应能力强，可实现在线测量。
近二、三十年，特别是近十年来，由于电子技术及压电陶瓷材料的发展，使超声检测技术得到了迅速的发展。在无损探伤，测温，测距，流量测量，液体成分测量，岩体检测等方面，新的超声检测仪表不断出现，应用领域也不断扩大。本文正是基于这一应用背景，介绍了集成滤波器MAX275在超声检测中的一个应用。
MAX275的结构及应用
在工程应用领域，常常需要从具有复杂频谱的信号中提取出特定频率的信号，或者对一些信号进行变换处理。在中低频场合，一般是采用有源滤波器或者由分立元件组成的调谐电路来实现。后者尽管具有较高的选择性和性价比，但是由于集成电路趋于小型化集成化而使用的并不普遍。普通的有源滤波器由运算放大器和R、C组成，实现容易。但是参数调整困难，而且应用在频率较高的场合时，由于元件周围的分布电容将严重影响滤波器的特性，使其偏离预定的工作状态。
MAX275是MAXIM公司推出的一款连续时间vwin 集成有源滤波器，片内硬件由四个运算放大器及若干电阻电容组成。每两个运算放大器构成一个二阶节，每个二阶节的中心频率Fo，转折频率，品质因数Q，放大倍数都由四个外部电阻确定，不需外接电容。通过外接电阻的不同组合形式可以实现巴特沃思，切比雪夫，贝赛尔型的低通，带通滤波器。滤波器的中心频率从100Hz-300KHz；
增益带宽积为16MHz，即对于40KHz的信号可放大1-400倍；可以根据设计者的要求实现高至一百的品质因数Q，与运算放大器和R、C组成的二阶节相比，MAX275组成的滤波器具有外接元件少，结构简单，参数调整方便和不受运算放大器本身频率特性影响等优点；由于没有外接电容，而且是单片结构，因而高频场合时受分布电容的影响较小。
MAX275使用 5V电源，电源电流最大不超过30mA，引脚见图1。其中，后缀字母A、B表示所属第几组滤波单元，A为第一组，B为第二组（MAX275内只有两组滤波单元）；IN表示输入端；BPI为带通输入；BPO为带通输出；LPO为低通输出；FC为工作方式及频率选择。
由于内部运算放大器有限的增益带宽积和驱动能力，MAX275对中心频率Fo和品质因数Q的比值Fo/Q有限制，在设计滤波器之前，应先计算该参数并查阅产品手册判断其是否在滤波器的可实现范围内。
其内部的一个二阶节单元如图2所示。当用于低通滤波时用LPO作为输出，当用于带通滤波时用BPO作为输出。二阶节的中心频率Fo、Q值及放大倍数由外接电阻R1、R2、R3、R4决定。当中心频率Fo、Q值及增益确定后，R1、R2、R3、R4可由下列等式得到（所得电阻值单位均为 ）：
R2=2 109/Fo
R4=R2-5K
R3=（2Q 109 RX）/（Fo RY）
对于低通滤波：R1=（2 109 RX）/（Fo Holp RY）
对于带通滤波：R1=R3/Hobp
式中，RX/RY因子中RX和RY是滤波器内部的电阻，这个因子的值由引脚FC的接法决定。为了提高中心频率Fo和品质因数Q值的精度，FC脚应尽可能接地。Holp是用于低通滤波时，频率为0时引脚LPO处的增益；Hobp是用于带通滤波时，频率为Fo时引脚BOP处的增益。
或者，更为方便的设计方法是使用MAXIM274/275有源滤波器设计软件（在MAXIM网站上可免费下载），其主要功能是：
（1）根据滤波器的性能指标，如通带内的最大衰减，阻带内的最小衰减，截至频率，带宽，Q值等，能迅速算出巴特沃思，切比雪夫，贝赛尔和椭圆滤波器的极点、零点、阶数和Q值等。
当选定由滤波器指标决定经典滤波函数后，可以在对话窗口中输入有关参数，通带内最大衰减，阻带内最小衰减，截止频率，通带宽度，阻带宽度等。之后，软件就会给出计算结果，说明要达到预定输入指标应选用各经典滤波函数的阶数。可以执行有关命令来改变滤波器的类型，查看响应曲线，列出极点清单，记录幅频、相频和延时传输特性并打印输出，并且给出滤波器的滤波方程。
（2）针对MAX275完成滤波电路设计，即计算出每个二阶节外接电阻的数值，然后进行仿真获得传输特性曲线，包括增益，相位和群延迟等，并打印出结果。
当选定用MAX275设计滤波电路时，只能选择偶数阶的巴特沃思，切比雪夫，贝赛尔型的低通，带通滤波器。执行相关命令后，程序会分析结果，自动装入数据，并显示各级的实际连接框图和外接电阻的阻值。需要说明一点，MAXIM有源滤波器设计软件的应用是建立在每个二阶节基础上的，即每片MAX275内有两个二阶节，就把这片MAX275分成两个级联单元来处理，给出外接电阻连接图也是两级分别给出。
因为每一级的输出响应是相对于该级输入而言的，所以最后一级的输出也就是总输出，该软件最多可以分析12级级联单元。应该注意的是，在选中单元的电路图中若有大于4M 的外接电阻，根据MAX275器件的要求应作T-网络变换，把它换成3个小于4M 的等效电阻，这个过程可由程序计算完成。完成设计以后，可以将电路各级的指标与外接电阻数值全部打印出来。
需要补充的是外接电阻最大不应超过4M ，因为这时寄生电容的影响会比较明显，造成过大的Fo/Q误差。外接电阻最小也不应小于5K ，这是由运放的驱动能力所决定的。当计算出的外接电阻值大于4M 或小于5K 时，可以通过改变FC的接线位置来调整或者用这个电阻的等效电阻T-网络来代替。
另外，MAX275外接一个运放和外接电阻组合就可以实现陷波器，具体实现方式及器件选择参见产品手册。
超声检测系统组成
超声波是一种频率超过20kHz的机械波。压电传感器中的压电芯片受发射电脉冲激励后产生振动。当超声波作用于芯片时，芯片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。而且每一种压电传感器有固定的工作频率，这里选用的压电传感器的工作频率是40KHz，包括一个发射传感器和一个接收传感器。
超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。由于共振法的应用要求复杂，在这里使用脉冲反射式。如图3所示，超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度为C=340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（S），即：S=C t/2 。这就是所谓的渡越时间测量法。本文超声波测距系统的应用是以Motorola 68HC908GP32单片机为基础进行的。系统结构组成如图4所示。
发射电路
超声检测中常用的发射电路可分为三类，即单脉冲发射电路，方波调制的脉冲发射电路和连续波发射电路。本系统采用方波调制的脉冲发射电路，即采用单片机的PORTB4口作为IO口，同时外接一个驱动芯片来提高其输出电流的驱动能力，保证40kHz的脉冲信号有一定的功率。
单片机产生以5个40kHz为一组的脉冲群，加到压电芯片上能使芯片发出超声波，当信号为高电平时，发射换能器两端就加上了高电压，内部的压电芯片开始震动，此时接收换能器的两端可以检测到有40kHz信号；当信号为低电平时，发射换能器通过回路放电，此时接收换能器可以接收到回波信号。
接收电路
尽管发射部分的脉冲电压比较高，但是由回波引起的接收压电芯片产生的射频电压幅度近距离有1V，远距离只有几毫伏，要对这样小的信号进行检测使其达到相当的幅度就必须加以放大。
接收电路由前置放大，带通滤波放大，程控放大，门限检测电路等组成。
前置放大电路用同相放大器实现了小信号的线性放大，采用同相放大器的原因是其具有很高的输入阻抗和较低的输出阻抗，因此提高了整个放大电路的输入阻抗，有效的接收换能器中的信号。
带通滤波放大器是由一片MAX275完成的，包含了A，B两个二阶节，在硬件上级联的A与B分别构成了中心频率为40kHz，增益为40dB，Q为40的四阶带通滤波器。高频质因数的带通滤波对于整个系统十分重要，因为前置放大只是将信号和噪声同时放大了几倍，并没有提高输入信号的信噪比。
经过带通滤波后，40kHz 0.5kHz以内的超声回波信号被保留，之外的无用噪声被削弱，并且为下一级的程控放大也提供了更高信噪比的输入信号。硬件电路如图5，同相放大器输出的信号经R1到8脚INA，A级带通滤波的输出信号从4脚BPOA经R5到B级的输入14脚INB，B级带通滤波的信号从18脚BPOB输出到下级的程控放大器。
由于实际的电阻与计算出的电阻阻值间有教大的差异，得到的Fo，Q值也与设定值存在一定距离，但较之相同阶数的运算放大器和R、C组成的有源滤波器，MAX275可以得到更高的品质因数Q和理想的增益。本文中的硬件电路实测中心频率为39.6kHz，品质因数为50。
针对远近幅值动态范围大于50dB的回波信号，用普通的放大器很难得到这样大的动态范围，因此选用了一片美国BB公司的集成数控增益放大器PGA202。其数控增益倍数G为：1，10，100，1000，可由TTL电平或CMOS电平控制，易与单片机接口，由于采用激光修正技术，使增益及失调无需外部调整。而且，其频率响应范围很宽：G=1，10，100，为1MHz；G＝1000，为250KHz。这样，可以根据回波信号的不同幅度来选择不同的增益，使回波幅度放大到能够被检测到的程度。
根据系统功能和理论分析，包络检波器加上双门限比较检测是最佳接收的结构。由于换能器余振的影响，实际实现时不能采用固定门限进行比较，而采用检测噪声作为自适应第一门限的时间检测方法。门限形成电路在包络检波器后对噪声进行采样，然后让这点采样电平经适量放大后按噪声拖尾的规律下降，当低于远距噪声门限电平后就不再下降，变成完全由接收机系统噪声决定的固定门限。
脉冲干扰由于频谱较宽，在进入有一定通频带的接收机后被放大，第二门限取得较大就是为了抑止这种干扰。因此接收机的通频带不能太窄，当超过第一门限的信号达到一定宽度时才判为回波。
显示电路
MC68HC908GP32单片机是Motorola公司的第2代8位微控制器，由于其很高的性价比。这类MCU的指令集非常精简，容易被用户掌握。在单片机实现超声波测距中，充分利用了其PORT B 端口的双向输入/输出功能，进行信号的发送，接受等控制。当PORT B 端口的引脚电平检测到为低电平时，表示有外来回波信号。微控制器内部的一个定时器用来记录发射到收到回波间的计数器脉冲个数。
利用微控制器的PORT A端口作为显示电路的输出口，考虑乘法运算实现较复杂，在编程时使用查表的方法来得到实际的距离值。即预先在微控制器的ROM中存储30个时间测量结果和对应的显示值，采用查表的方法，将与测量值最接近的显示距离找到并送显示。
小结
MAX275集成度高，参数调整方便。给工程项目人员带来了极大得方便。通过外接的不同器件组合，MAX275可构成多种滤波器，如中心频率可调的带通滤波器。
编辑：jq
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