“本文介紹了用MAXIM公司的連續時間濾波器MAX275的設計方法。著重闡述MAX275在Motorola 68HC908GP32微控制測距系統中的應用及該系統的結構組成。”

超聲檢測技術是利用超聲波在媒質中的傳播特性（聲速、衰減、反射、聲阻抗等）來實現對非聲學量（如密度、濃度、強度、彈性、硬度、粘度、溫度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等）的測定。它的基本原理是基于超聲波在介質中傳播時遇到不同的接口，將產生反射，折射，繞射，衰減等現象，從而使傳播的聲時，振幅，波形，頻率等發生相應變化，測定這些規律的變化，便可得到材料的某些性質與內部構造情況。

與傳統超聲技術完全不同，新的超聲技術具有以下特點：在不破壞媒質特性的情況下實現非接觸性測量，環境適應能力強，可實現在線測量。

近二、三十年，特別是近十年來，由于電子技術及壓電陶瓷材料的發展，使超聲檢測技術得到了迅速的發展。在無損探傷，測溫，測距，流量測量，液體成分測量，巖體檢測等方面，新的超聲檢測儀表不斷出現，應用領域也不斷擴大。本文正是基于這一應用背景，介紹了集成濾波器MAX275在超聲檢測中的一個應用。

MAX275的結構及應用

在工程應用領域，常常需要從具有復雜頻譜的信號中提取出特定頻率的信號，或者對一些信號進行變換處理。在中低頻場合，一般是采用有源濾波器或者由分立元件組成的調諧電路來實現。后者盡管具有較高的選擇性和性價比，但是由于集成電路趨于小型化集成化而使用的并不普遍。普通的有源濾波器由運算放大器和R、C組成，實現容易。但是參數調整困難，而且應用在頻率較高的場合時，由于元件周圍的分布電容將嚴重影響濾波器的特性，使其偏離預定的工作狀態。

MAX275是MAXIM公司推出的一款連續時間模擬集成有源濾波器，片內硬件由四個運算放大器及若干電阻電容組成。每兩個運算放大器構成一個二階節，每個二階節的中心頻率Fo，轉折頻率，品質因數Q，放大倍數都由四個外部電阻確定，不需外接電容。通過外接電阻的不同組合形式可以實現巴特沃思，切比雪夫，貝賽爾型的低通，帶通濾波器。濾波器的中心頻率從100Hz-300KHz；

增益帶寬積為16MHz，即對于40KHz的信號可放大1-400倍；可以根據設計者的要求實現高至一百的品質因數Q，與運算放大器和R、C組成的二階節相比，MAX275組成的濾波器具有外接元件少，結構簡單，參數調整方便和不受運算放大器本身頻率特性影響等優點；由于沒有外接電容，而且是單片結構，因而高頻場合時受分布電容的影響較小。

MAX275使用 5V電源，電源電流最大不超過30mA，引腳見圖1。其中，后綴字母A、B表示所屬第幾組濾波單元，A為第一組，B為第二組（MAX275內只有兩組濾波單元）；IN表示輸入端；BPI為帶通輸入；BPO為帶通輸出；LPO為低通輸出；FC為工作方式及頻率選擇。

由于內部運算放大器有限的增益帶寬積和驅動能力，MAX275對中心頻率Fo和品質因數Q的比值Fo/Q有限制，在設計濾波器之前，應先計算該參數并查閱產品手冊判斷其是否在濾波器的可實現范圍內。

其內部的一個二階節單元如圖2所示。當用于低通濾波時用LPO作為輸出，當用于帶通濾波時用BPO作為輸出。二階節的中心頻率Fo、Q值及放大倍數由外接電阻R1、R2、R3、R4決定。當中心頻率Fo、Q值及增益確定后，R1、R2、R3、R4可由下列等式得到（所得電阻值單位均為 ）：

R2=2 109/Fo

R4=R2-5K

R3=（2Q 109 RX）/（Fo RY）

對于低通濾波：R1=（2 109 RX）/（Fo Holp RY）

對于帶通濾波：R1=R3/Hobp

式中，RX/RY因子中RX和RY是濾波器內部的電阻，這個因子的值由引腳FC的接法決定。為了提高中心頻率Fo和品質因數Q值的精度，FC腳應盡可能接地。Holp是用于低通濾波時，頻率為0時引腳LPO處的增益；Hobp是用于帶通濾波時，頻率為Fo時引腳BOP處的增益。

或者，更為方便的設計方法是使用MAXIM274/275有源濾波器設計軟件（在MAXIM網站上可免費下載），其主要功能是：

（1）根據濾波器的性能指標，如通帶內的最大衰減，阻帶內的最小衰減，截至頻率，帶寬，Q值等，能迅速算出巴特沃思，切比雪夫，貝賽爾和橢圓濾波器的極點、零點、階數和Q值等。

當選定由濾波器指標決定經典濾波函數后，可以在對話窗口中輸入有關參數，通帶內最大衰減，阻帶內最小衰減，截止頻率，通帶寬度，阻帶寬度等。之后，軟件就會給出計算結果，說明要達到預定輸入指標應選用各經典濾波函數的階數。可以執行有關命令來改變濾波器的類型，查看響應曲線，列出極點清單，記錄幅頻、相頻和延時傳輸特性并打印輸出，并且給出濾波器的濾波方程。

（2）針對MAX275完成濾波電路設計，即計算出每個二階節外接電阻的數值，然后進行仿真獲得傳輸特性曲線，包括增益，相位和群延遲等，并打印出結果。

當選定用MAX275設計濾波電路時，只能選擇偶數階的巴特沃思，切比雪夫，貝賽爾型的低通，帶通濾波器。執行相關命令后，程序會分析結果，自動裝入數據，并顯示各級的實際連接框圖和外接電阻的阻值。需要說明一點，MAXIM有源濾波器設計軟件的應用是建立在每個二階節基礎上的，即每片MAX275內有兩個二階節，就把這片MAX275分成兩個級聯單元來處理，給出外接電阻連接圖也是兩級分別給出。

因為每一級的輸出響應是相對于該級輸入而言的，所以最后一級的輸出也就是總輸出，該軟件最多可以分析12級級聯單元。應該注意的是，在選中單元的電路圖中若有大于4M 的外接電阻，根據MAX275器件的要求應作T-網絡變換，把它換成3個小于4M 的等效電阻，這個過程可由程序計算完成。完成設計以后，可以將電路各級的指標與外接電阻數值全部打印出來。

需要補充的是外接電阻最大不應超過4M ，因為這時寄生電容的影響會比較明顯，造成過大的Fo/Q誤差。外接電阻最小也不應小于5K ，這是由運放的驅動能力所決定的。當計算出的外接電阻值大于4M 或小于5K 時，可以通過改變FC的接線位置來調整或者用這個電阻的等效電阻T-網絡來代替。

另外，MAX275外接一個運放和外接電阻組合就可以實現陷波器，具體實現方式及器件選擇參見產品手冊。

超聲檢測系統組成

超聲波是一種頻率超過20kHz的機械波。壓電傳感器中的壓電芯片受發射電脈沖激勵后產生振動。當超聲波作用于芯片時，芯片受迫振動引起的形變可轉換成相應的電信號。前者用于超聲波的發射，后者即為超聲波的接收。而且每一種壓電傳感器有固定的工作頻率，這里選用的壓電傳感器的工作頻率是40KHz，包括一個發射傳感器和一個接收傳感器。

超聲測距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。由于共振法的應用要求復雜，在這里使用脈沖反射式。如圖3所示，超聲波測距原理是通過超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。

超聲波在空氣中的傳播速度為C=340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離（S），即：S=C t/2 。這就是所謂的渡越時間測量法。本文超聲波測距系統的應用是以Motorola 68HC908GP32單片機為基礎進行的。系統結構組成如圖4所示。

發射電路

超聲檢測中常用的發射電路可分為三類，即單脈沖發射電路，方波調制的脈沖發射電路和連續波發射電路。本系統采用方波調制的脈沖發射電路，即采用單片機的PORTB4口作為IO口，同時外接一個驅動芯片來提高其輸出電流的驅動能力，保證40kHz的脈沖信號有一定的功率。

單片機產生以5個40kHz為一組的脈沖群，加到壓電芯片上能使芯片發出超聲波，當信號為高電平時，發射換能器兩端就加上了高電壓，內部的壓電芯片開始震動，此時接收換能器的兩端可以檢測到有40kHz信號；當信號為低電平時，發射換能器通過回路放電，此時接收換能器可以接收到回波信號。

接收電路

盡管發射部分的脈沖電壓比較高，但是由回波引起的接收壓電芯片產生的射頻電壓幅度近距離有1V，遠距離只有幾毫伏，要對這樣小的信號進行檢測使其達到相當的幅度就必須加以放大。

接收電路由前置放大，帶通濾波放大，程控放大，門限檢測電路等組成。

前置放大電路用同相放大器實現了小信號的線性放大，采用同相放大器的原因是其具有很高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗，因此提高了整個放大電路的輸入阻抗，有效的接收換能器中的信號。

帶通濾波放大器是由一片MAX275完成的，包含了A，B兩個二階節，在硬件上級聯的A與B分別構成了中心頻率為40kHz，增益為40dB，Q為40的四階帶通濾波器。高頻質因數的帶通濾波對于整個系統十分重要，因為前置放大只是將信號和噪聲同時放大了幾倍，并沒有提高輸入信號的信噪比。

經過帶通濾波后，40kHz 0.5kHz以內的超聲回波信號被保留，之外的無用噪聲被削弱，并且為下一級的程控放大也提供了更高信噪比的輸入信號。硬件電路如圖5，同相放大器輸出的信號經R1到8腳INA，A級帶通濾波的輸出信號從4腳BPOA經R5到B級的輸入14腳INB，B級帶通濾波的信號從18腳BPOB輸出到下級的程控放大器。

由于實際的電阻與計算出的電阻阻值間有教大的差異，得到的Fo，Q值也與設定值存在一定距離，但較之相同階數的運算放大器和R、C組成的有源濾波器，MAX275可以得到更高的品質因數Q和理想的增益。本文中的硬件電路實測中心頻率為39.6kHz，品質因數為50。

針對遠近幅值動態范圍大于50dB的回波信號，用普通的放大器很難得到這樣大的動態范圍，因此選用了一片美國BB公司的集成數控增益放大器PGA202。其數控增益倍數G為：1，10，100，1000，可由TTL電平或CMOS電平控制，易與單片機接口，由于采用激光修正技術，使增益及失調無需外部調整。而且，其頻率響應范圍很寬：G=1，10，100，為1MHz；G＝1000，為250KHz。這樣，可以根據回波信號的不同幅度來選擇不同的增益，使回波幅度放大到能夠被檢測到的程度。

根據系統功能和理論分析，包絡檢波器加上雙門限比較檢測是最佳接收的結構。由于換能器余振的影響，實際實現時不能采用固定門限進行比較，而采用檢測噪聲作為自適應第一門限的時間檢測方法。門限形成電路在包絡檢波器后對噪聲進行采樣，然后讓這點采樣電平經適量放大后按噪聲拖尾的規律下降，當低于遠距噪聲門限電平后就不再下降，變成完全由接收機系統噪聲決定的固定門限。

脈沖干擾由于頻譜較寬，在進入有一定通頻帶的接收機后被放大，第二門限取得較大就是為了抑止這種干擾。因此接收機的通頻帶不能太窄，當超過第一門限的信號達到一定寬度時才判為回波。

顯示電路

MC68HC908GP32單片機是Motorola公司的第2代8位微控制器，由于其很高的性價比。這類MCU的指令集非常精簡，容易被用戶掌握。在單片機實現超聲波測距中，充分利用了其PORT B 端口的雙向輸入/輸出功能，進行信號的發送，接受等控制。當PORT B 端口的引腳電平檢測到為低電平時，表示有外來回波信號。微控制器內部的一個定時器用來記錄發射到收到回波間的計數器脈沖個數。

利用微控制器的PORT A端口作為顯示電路的輸出口，考慮乘法運算實現較復雜，在編程時使用查表的方法來得到實際的距離值。即預先在微控制器的ROM中存儲30個時間測量結果和對應的顯示值，采用查表的方法，將與測量值最接近的顯示距離找到并送顯示。

小結

MAX275集成度高，參數調整方便。給工程項目人員帶來了極大得方便。通過外接的不同器件組合，MAX275可構成多種濾波器，如中心頻率可調的帶通濾波器。

編輯：jq