基于基于AN7218的超声波接收电路设计的超声波接收电路设计
针对现有超声波接收电路前级放大结构复杂、噪声较大、成本较高的缺点,提出了一种基于调频、调幅中频放
大器AN7218的超声波接收电路。通过FM与AM中频放大器对超声传感器的回波信号进行低噪声前置放大,电路适
用于各种中频超声波接收电路。实验表明,电路设计简单、性能稳定、价格低廉,具有广阔的应用前景。
摘 要:针对现有超声波接收电路前级放大结构复杂、噪声较大、成本较高的缺点,提出了一种基于调频、调幅中频放大器
AN7218的超声波接收电路。通过FM与AM中频放大器对超声传感器的回波信号进行低噪声前置放大,电路适用于各种中频超声
波接收电路。实验表明,电路设计简单、性能稳定、价格低廉,具有广阔的应用前景。
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
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 k?赘电阻短地,
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0.01 ?滋F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42 dB,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33 dB,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