集成滤波器MAX275在超声检测中的应用

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晶片受发射电脉冲激励后产生振动。当超声波作用于晶片时，晶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，加到压电晶片上能使晶片发出超声波，当信号为高电平时，发射换能器两端就加上了高电压，内部的压电晶片开始震动，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晶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。