超聲波檢測在生產實踐中應用已十分廣泛，然而超聲換能器將超聲波轉換成電壓信號的幅度卻僅有毫伏數量級、有時更低。作為超聲波接收中關鍵的放大電路, 以往常使用大量的分立元件或價格高昂的專用高頻放大集成電路。本文采用松下公司生產的調頻、調幅收音機專用中頻放大器芯片AN7218作為超聲波接收回路的前級放大,并根據這一集成電路的內部電路結構, 采用獨特簡單的連接方式使其應用效果極佳,并以40 kHz的超聲波測距接收電路為例進行實驗。

1 AN7218芯片介紹
    AN7218是松下公司生產的調頻、調幅收音機專用中頻放大器，具有工作電壓范圍寬、低失真、低功耗等特點。其內部結構為相互獨立的四部分，分別為AM混頻、AM中頻放大器、FM中頻放大器1和FM中頻放大器2。相比于其他調頻、調幅收音機專用中頻放大器而言，AN7218 具有四部分內部結構相互獨立，互不影響的特點，因此可采用其中任何一部分作為小信號放大器獨立使用而不影響剩余部分，同樣各個部分也可以級聯使用，這樣就大大增加了芯片的應用靈活性，而這也是AN7218能作為超聲波接收前級放大電路的最主要原因。另外，AM和FM中頻放大器的通頻帶較窄，因而對鄰近干擾信號的抑制能力強。由于需求量非常大, 因而價格極其低廉,在中頻信號放大領域有著很廣泛的應用。
    FM中頻放大器分為FM中頻放大器1和FM中頻放大器2，兩級中頻放大器級聯電壓增益可達到75 dB。由于其很高的增益帶寬積，FM中頻放大器在用做小信號放大時，效果十分理想。AM中頻放大器具有AGC性能好、低失真的特點，其電壓增益為50 dB。AM混頻部分的電壓增益為11.5 dB，常用于收音機接收電路中。
2 芯片測試實驗
    由于AN7218是調頻、調幅收音機專用中頻放大器，其芯片資料的大多參數都是針對收音機變頻、中頻放大器等設計介紹的，為了很好地了解使用芯片中的中頻放大器用作小信號放大器的各項性能指標，筆者通過信號源與示波器等設備對芯片進行了常溫實驗測試。
2.1 AM中放測試
    將峰峰值為100 mV的正弦波信號經0.01 μF的耦合電容,接入AM中頻放大器輸入端接入腳“14”，腳“13”通過10 k?贅電阻短地，即增益實現最大值。通過示波器探針測試AM腳“11”中頻放大器輸出端。實驗表明：AM中頻放大器中心頻率f0=158 kHz，峰峰值可達6.8 V；下限截止頻率為fL=15 kHz,峰峰值為4.8 V(中心頻率峰峰值的0.707倍)；上限截止頻率為fH=800 kHz，峰峰值為4.8 V,由此可知，AM中頻放大器帶寬為785 kHz。另外,當輸入信號頻率為40 kHz時，輸出峰峰值為6 V。
2.2 FM中放測試
　　由于兩級FM中頻放大器帶寬一樣，為避免由于增益過高導致輸出信號出現飽和失真以及自激振蕩，實驗采用增益為33 dB的FM中頻放大器2進行實驗。同樣將峰峰值為100 mV的正弦波信號經0.01 ?滋F的耦合電容，接入FM中頻放大器輸入端接入腳“8”，通過示波器探針測試FM腳“7”中頻放大器輸出端。實驗表明：FM中頻放大器中心頻率f0=187 kHz，峰峰值可達3 V；下限截止頻率為fL=26 kHz,峰峰值為2.1 V（中心頻率峰峰值的0.707倍）；上限截止頻率為fH=890 kHz， 峰峰值為2.1 V，由此可知，FM中頻放大器帶寬為864 kHz。另外，當輸入信號頻率為40 kHz時，輸出峰峰值為2.9 V。
    通過上述實驗數據可知，調頻、調幅中頻放大器AN7218用于中頻小信號放大時，效果十分理想。本文電路設計采用中心頻率為40 kHz的超聲波測距接收電路，信號中心頻率處于帶寬范圍內，回波信號幅值較中心頻率處峰峰值損失少，因此調頻、調幅中頻放大器AN7218作為超聲波測距接收電路的前級放大使用能起到很好的效果。
3 調頻(FM)的內部結構及典型應用
    調頻部分由兩級組成，內部結構如圖1所示。第一級調頻中頻放大器電壓增益可達到42 dB，且工作性能穩定。其內部設計由Q1、Q2、Q3構成，R7作為放大器負載。第二級調頻中頻放大器增益為33 dB，其內部設計由Q5、Q6以及Q10、Q11組成的兩個差分放大器以及Q8構成，兩個差分放大器具有理想的雙向限幅特性，目的是保證在足夠的電壓增益時對FM中頻信號有較好的限幅作用，為方便用戶使用，Q11的集電極采用OC門設計，用戶根據需要，自己外接電源與上拉電阻。

    在超聲波接收電路設計中，超聲波換能器轉換成的電壓信號可直接由腳“2”輸入，第一級放大后的信號由腳“4”輸出，但由于超聲波的回波信號經常是寬帶的脈沖信號，前級放大后的信號電壓幅度應該盡可能大，以方便后續電路的處理，因此兩級放大之間應通過耦合電容相連。然而實驗中發現，腳“4”和腳“5”間采用這一方式連接后，由于AN7218工作在寬帶放大狀態，造成了信號不穩定以及自激振蕩。通過反復實驗，最終采用犧牲部分增益、保證工作穩定的方案，即將第一級放大后的信號通過耦合電容送至腳“8”，這樣就減緩了兩個差分放大器的限幅作用。
   典型的AN7218應用時,電源電壓的推薦值是5 V左右, 否則會破壞集成電路的工作條件。實驗表明，第一級中頻放大器的電源電壓控制在4~5 V  左右,將腳“7”通過上拉電阻與12 V電源連接，采取此項措施后集成電路輸出信號的電壓峰峰值在10 V以上,較典型的工作狀態提高約5倍。
    圖2 是AN7218用于中心頻率為40 kHz超聲波測距回波信號放大時的原理圖,雖然AN7218放大后得到的信號峰峰值很高，但波形很差，另外該放大器增益比較高(超聲波頻率范圍為1~10 MHz時,其電壓增益在75 dB左右），前級的干擾噪聲造成的影響很大，干擾信號的峰峰值有時可達到2 V左右,為了減少高頻干擾信號，增加輸入信號的有用成分,在超聲波接收換能器與AN7218的輸入端之間用一個0.01 μF的耦合電容C1,這樣耦合過來的有用信號比例加大，放大后的信號會很好，如圖3示波器截圖的2通道（1通道為觸發信號）所示，第一級中頻放大器輸出的基線在3 V左右，峰峰值可達到750 mV，對輸入小信號進行了有效地低噪聲、低失真放大。

4 調幅(AM)的內部結構及典型應用
    調幅（AM）部分由AM混頻和AM調幅中頻放大器兩部分構成。圖5所示的調幅（AM）部分的內部結構中，調幅中頻放大器部分由Q23、Q24、Q25、Q26構成，R31、R32、R35、R37作為放大器負載,Q26的集電極采用OC門設計，用戶根據需要，外接電源與上拉電阻。AM中頻放大器電壓增益為50 dB，同時AM混頻和AM調幅中頻放大器的獨立設計，因此AM調幅中頻放大器可直接與換能器鏈接，用做小信號放大器使用。
　AM混頻部分則由Q15、Q16以及Q20、Q21兩組差分放大器和Q17、Q18、Q19、Q22，同時作為負載的R21、R23、R24、R27構成，此部分多用于收音機混頻使用。

    圖6 是AN7218用于中心頻率為40 kHz超聲波測距回波信號放大時的原理圖。同樣由于該放大器電壓增益比較高，前級的干擾噪聲造成的影響很大，為了減少高頻干擾信號，增加輸入信號的有用成分，在AN7218的輸入級用一個0.01 ?滋F的耦合電容C1,這樣耦合過來的有用信號比例加大，放大后的信號效果會很好。由于調幅中頻放大器的輸出端中腳“11”內部結構為OC門，因此加入2.7 kΩ的上拉電阻接12 V電源，使調幅中頻放大器的輸出信號基線為6 V左右，增加信號的動態特性，剩余腳“10”“15”“16”空接。圖7即為AM中頻放大器的輸出波形，從中可以清楚地看出，輸出信號峰峰值可達到800 mV左右，其直流偏置為6 V。

　經上拉電阻的AM中頻放大器輸出信號經過10 ?滋F的電解電容耦合到截止頻率為150 kHz的低通濾波器，有效地去除高頻噪聲影響。
    腳“13”為AGC控制輸入端，在收音機調幅應用中常常通過檢波后的直流電平控制AGC輸入端，實現對輸出信號的自動增益控制。在超聲接收電路應用中可以通過外加直流電平的方式控制增益，進而控制輸出波形的幅值大小。由于實驗過程中，輸出波形的幅值很小，為達到前級放大的效果，本文在圖6所示的設計中將AGC輸入端加10 k?贅電阻短地,使AM中頻放大器的增益最大。
    另外，在AM部分腳“1”為本振信號輸入，腳“16”為AM混頻信號的輸入端，腳“15”為AM混頻信號的輸出端，腳“13”為AGC控制輸入端。AM混頻部分常用于收音機變頻，從天線送來的調幅信號接入腳“16”與腳“1”接入的本機振蕩信號進行變頻處理，即本機振蕩頻率-輸入信號頻率=差頻，在我國,差頻信號的頻率為465 kHz，在收音機的應用中，差頻信號經過AM中頻放大器、檢波電路等信號處理后還原音頻信號，于此同時，檢波后的直流分量送回到中頻放大器AGC控制端腳“13”，控制中頻放大級的增益，使該級不發生波形失真，進而獲取完整準確的音頻信號。
5 電源部分設計
 由于AN7218很容易受到高頻噪聲的影響，為保證超聲回波信號的高信噪比，需要對電源進行濾波和隔離處理，本文設計了π型電源濾波電路， 即通過0.1 μF和10 μF的電容分別對高頻和低頻噪聲濾波，通過磁珠實現隔離效果，這樣確保回波信號免受電源噪聲的影響。電源設計如圖8所示。

    基于調頻、調幅中頻放大器AN7218設計的超聲波接收電路有效地解決了超聲接收電路前級放大電路結構復雜、噪聲較大、阻抗匹配的難題，而且輸出波形動態特性十分理想。實驗表明，利用AN7218實現超聲波接收電路，結構簡單，成本低廉，系統穩定可靠，可以廣泛應用于超聲波測距、超聲波探傷、無損檢測等領域。
參考文獻
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