基于AN7218的超声波接收电路设计

时间：2024-05-22

李勇峰，杨录,张艳花

(中北大学信息与通信工程学院电子测试技术国家重点实验室,山西太原 030051)

超声波检测在生产实践中应用已十分广泛，然而超声换能器将超声波转换成电压信号的幅度却仅有毫伏数量级、有时更低。作为超声波接收中关键的放大电路,以往常使用大量的分立元件或价格高昂的专用高频放大集成电路。本文采用松下公司生产的调频、调幅收音机专用中频放大器芯片AN7218作为超声波接收回路的前级放大,并根据这一集成电路的内部电路结构,采用独特简单的连接方式使其应用效果极佳,并以40 kHz的超声波测距接收电路为例进行实验。

1 AN7218芯片介绍

AN7218是松下公司生产的调频、调幅收音机专用中频放大器，具有工作电压范围宽、低失真、低功耗等特点。其内部结构为相互独立的四部分，分别为AM混频、AM中频放大器、FM中频放大器1和FM中频放大器2。相比于其他调频、调幅收音机专用中频放大器而言，AN7218具有四部分内部结构相互独立，互不影响的特点，因此可采用其中任何一部分作为小信号放大器独立使用而不影响剩余部分，同样各个部分也可以级联使用，这样就大大增加了芯片的应用灵活性，而这也是AN7218能作为超声波接收前级放大电路的最主要原因。另外，AM和FM中频放大器的通频带较窄，因而对邻近干扰信号的抑制能力强。由于需求量非常大,因而价格极其低廉,在中频信号放大领域有着很广泛的应用。

FM中频放大器分为FM中频放大器1和FM中频放大器2，两级中频放大器级联电压增益可达到 75 dB。由于其很高的增益带宽积，FM中频放大器在用做小信号放大时，效果十分理想。AM中频放大器具有AGC性能好、低失真的特点，其电压增益为50 dB。AM混频部分的电压增益为11.5 dB，常用于收音机接收电路中。

2 芯片测试实验

由于AN7218是调频、调幅收音机专用中频放大器，其芯片资料的大多参数都是针对收音机变频、中频放大器等设计介绍的，为了很好地了解使用芯片中的中频放大器用作小信号放大器的各项性能指标，笔者通过信号源与示波器等设备对芯片进行了常温实验测试。

2.1 AM中放测试

图1 调频（FM）部分的内部结构

将峰峰值为 100 mV的正弦波信号经 0.01 μF的耦合电容,接入 AM中频放大器输入端接入脚 “14”，脚“13”通过10 kΩ电阻短地，即增益实现最大值。通过示波器探针测试AM脚“11”中频放大器输出端。实验表明：AM中频放大器中心频率f0=158 kHz，峰峰值可达6.8 V；下限截止频率为 fL=15 kHz,峰峰值为 4.8 V(中心频率峰峰值的0.707倍)；上限截止频率为 fH=800 kHz，峰峰值为 4.8 V,由此可知，AM中频放大器带宽为785 kHz。另外,当输入信号频率为40 kHz时，输出峰峰值为6 V。

2.2 FM中放测试

由于两级FM中频放大器带宽一样，为避免由于增益过高导致输出信号出现饱和失真以及自激振荡，实验采用增益为33 dB的FM中频放大器2进行实验。同样将峰峰值为100 mV的正弦波信号经0.01μF的耦合电容，接入FM中频放大器输入端接入脚“8”，通过示波器探针测试FM脚“7”中频放大器输出端。实验表明：FM中频放大器中心频率 f0=187 kHz，峰峰值可达 3 V；下限截止频率为fL=26 kHz,峰峰值为2.1 V（中心频率峰峰值的0.707倍）；上限截止频率为fH=890 kHz，峰峰值为2.1 V，由此可知，FM中频放大器带宽为 864 kHz。另外，当输入信号频率为40 kHz时，输出峰峰值为2.9 V。

通过上述实验数据可知，调频、调幅中频放大器AN7218用于中频小信号放大时，效果十分理想。本文电路设计采用中心频率为40 kHz的超声波测距接收电路，信号中心频率处于带宽范围内，回波信号幅值较中心频率处峰峰值损失少，因此调频、调幅中频放大器AN7218作为超声波测距接收电路的前级放大使用能起到很好的效果。

3 调频(FM)的内部结构及典型应用

调频部分由两级组成，内部结构如图1所示。第一级调频中频放大器电压增益可达到42dB，且工作性能稳定。其内部设计由Q1、Q2、Q3构成，R7作为放大器负载。第二级调频中频放大器增益为33dB，其内部设计由Q5、Q6以及 Q10、Q11组成的两个差分放大器以及 Q8构成，两个差分放大器具有理想的双向限幅特性，目的是保证在足够的电压增益时对FM中频信号有较好的限幅作用，为方便用户使用，Q11的集电极采用OC门设计，用户根据需要，自己外接电源与上拉电阻。

在超声波接收电路设计中，超声波换能器转换成的电压信号可直接由脚“2”输入，第一级放大后的信号由脚“4”输出，但由于超声波的回波信号经常是宽带的脉冲信号，前级放大后的信号电压幅度应该尽可能大，以方便后续电路的处理，因此两级放大之间应通过耦合电容相连。然而实验中发现，脚“4”和脚“5”间采用这一方式连接后，由于AN7218工作在宽带放大状态，造成了信号不稳定以及自激振荡。通过反复实验，最终采用牺牲部分增益、保证工作稳定的方案，即将第一级放大后的信号通过耦合电容送至脚“8”，这样就减缓了两个差分放大器的限幅作用。

典型的AN7218应用时,电源电压的推荐值是5 V左右,否则会破坏集成电路的工作条件。实验表明，第一级中频放大器的电源电压控制在4～5 V左右,将脚“7”通过上拉电阻与12 V电源连接，采取此项措施后集成电路输出信号的电压峰峰值在10 V以上,较典型的工作状态提高约5倍。

图2 调频（FM）超声接收电路电路图

图2是AN7218用于中心频率为40 kHz超声波测距回波信号放大时的原理图,虽然AN7218放大后得到的信号峰峰值很高，但波形很差，另外该放大器增益比较高(超声波频率范围为1～10 MHz时,其电压增益在75 dB左右），前级的干扰噪声造成的影响很大，干扰信号的峰峰值有时可达到2 V左右,为了减少高频干扰信号，增加输入信号的有用成分,在超声波接收换能器与AN7218的输入端之间用一个0.01 μF的耦合电容C1,这样耦合过来的有用信号比例加大，放大后的信号会很好，如图3示波器截图的2通道（1通道为触发信号）所示，第一级中频放大器输出的基线在3 V左右，峰峰值可达到750 mV，对输入小信号进行了有效地低噪声、低失真放大。

图3 调频（FM）第一级中频放大器输出波形

将第一级中频放大器的输出信号经过0.01 μF的电容耦合到脚 “8”，由于第二级中频放大器的输出管脚“7”内部结构为OC门，因此加入2.7 kΩ的上拉电阻接12 V电源，使第二级中频放大器的输出信号基线为6.2 V左右，增加信号的动态特性，脚“5”空接。图4即为第二级中频放大器输出波形，可以清楚看到输出信号的峰峰值为6.8 V左右,直流偏置为6.2 V。

经过上拉电阻的二级中频放大器输出信号经过10 μF的电解电容耦合到截止频率为150 kHz的低通滤波器，有效地去除高频噪声影响。低通滤波器的截止频率公式见式(1)。

图4 调频（FM）第二级中频放大器输出波形

4 调幅(AM)的内部结构及典型应用

调幅（AM）部分由AM混频和AM调幅中频放大器两部分构成。图5所示的调幅（AM）部分的内部结构中，调幅中频放大器部分由 Q23、Q24、Q25、Q26 构成，R31、R32、R35、R37作为放大器负载,Q26的集电极采用 OC门设计，用户根据需要，外接电源与上拉电阻。AM中频放大器电压增益为50 dB，同时AM混频和AM调幅中频放大器的独立设计，因此AM调幅中频放大器可直接与换能器链接，用做小信号放大器使用。

AM混频部分则由 Q15、Q16以及 Q20、Q21两组差分放大器和 Q17、Q18、Q19、Q22，同时作为负载的 R21、R23、R24、R27构成，此部分多用于收音机混频使用。

图6是AN7218用于中心频率为40 kHz超声波测距回波信号放大时的原理图。同样由于该放大器电压增益比较高，前级的干扰噪声造成的影响很大，为了减少高频干扰信号，增加输入信号的有用成分，在AN7218的输入级用一个 0.01 μF的耦合电容 C1,这样耦合过来的有用信号比例加大，放大后的信号效果会很好。由于调幅中频放大器的输出端中脚“11”内部结构为OC门，因此加入2.7 kΩ的上拉电阻接12 V电源，使调幅中频放大器的输出信号基线为6 V左右，增加信号的动态特性，剩余脚“10”“15”“16”空接。图7即为 AM 中频放大器的输出波形，从中可以清楚地看出，输出信号峰峰值可达到800 mV左右，其直流偏置为6 V。

图5 调幅（AM）部分的内部结构

图6 调幅（AM）超声接收电路电路图

图7 调幅（AM）中频放大器输出端波形

经上拉电阻的AM中频放大器输出信号经过10 μF的电解电容耦合到截止频率为150 kHz的低通滤波器，有效地去除高频噪声影响。

脚“13”为AGC控制输入端，在收音机调幅应用中常常通过检波后的直流电平控制AGC输入端，实现对输出信号的自动增益控制。在超声接收电路应用中可以通过外加直流电平的方式控制增益，进而控制输出波形的幅值大小。由于实验过程中，输出波形的幅值很小，为达到前级放大的效果，本文在图6所示的设计中将AGC输入端加10 kΩ电阻短地,使AM中频放大器的增益最大。

另外，在 AM部分脚“1”为本振信号输入，脚“16”为AM混频信号的输入端，脚“15”为AM混频信号的输出端，脚“13”为AGC控制输入端。AM混频部分常用于收音机变频，从天线送来的调幅信号接入脚“16”与脚“1”接入的本机振荡信号进行变频处理，即本机振荡频率-输入信号频率=差频，在我国,差频信号的频率为465 kHz，在收音机的应用中，差频信号经过AM中频放大器、检波电路等信号处理后还原音频信号，于此同时，检波后的直流分量送回到中频放大器 AGC控制端脚 “13”，控制中频放大级的增益，使该级不发生波形失真，进而获取完整准确的音频信号。