集成滤波器MAX275在超声检测中的应用

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介面，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模拟集成有源滤波器，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。