超聲波檢測(cè)在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用已十分廣泛，然而超聲換能器將超聲波轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的幅度卻僅有毫伏數(shù)量級(jí)、有時(shí)更低。作為超聲波接收中關(guān)鍵的放大電路, 以往常使用大量的分立元件或價(jià)格高昂的專用高頻放大集成電路。本文采用松下公司生產(chǎn)的調(diào)頻、調(diào)幅收音機(jī)專用中頻放大器芯片AN7218作為超聲波接收回路的前級(jí)放大,并根據(jù)這一集成電路的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu), 采用獨(dú)特簡(jiǎn)單的連接方式使其應(yīng)用效果極佳,并以40 kHz的超聲波測(cè)距接收電路為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1 AN7218芯片介紹
    AN7218是松下公司生產(chǎn)的調(diào)頻、調(diào)幅收音機(jī)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(diǎn)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為相互獨(dú)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(diào)頻、調(diào)幅收音機(jī)專用中頻放大器而言，AN7218 具有四部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立，互不影響的特點(diǎn)，因此可采用其中任何一部分作為小信號(hào)放大器獨(dú)立使用而不影響剩余部分，同樣各個(gè)部分也可以級(jí)聯(lián)使用，這樣就大大增加了芯片的應(yīng)用靈活性，而這也是AN7218能作為超聲波接收前級(jí)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(duì)鄰近干擾信號(hào)的抑制能力強(qiáng)。由于需求量非常大, 因而價(jià)格極其低廉,在中頻信號(hào)放大領(lǐng)域有著很廣泛的應(yīng)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(jí)中頻放大器級(jí)聯(lián)電壓增益可達(dá)到75 dB。由于其很高的增益帶寬積，F(xiàn)M中頻放大器在用做小信號(hào)放大時(shí)，效果十分理想。AM中頻放大器具有AGC性能好、低失真的特點(diǎn)，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(jī)接收電路中。
2 芯片測(cè)試實(shí)驗(yàn)
    由于AN7218是調(diào)頻、調(diào)幅收音機(jī)專用中頻放大器，其芯片資料的大多參數(shù)都是針對(duì)收音機(jī)變頻、中頻放大器等設(shè)計(jì)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(hào)放大器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，筆者通過信號(hào)源與示波器等設(shè)備對(duì)芯片進(jìn)行了常溫實(shí)驗(yàn)測(cè)試。
2.1 AM中放測(cè)試
    將峰峰值為100 mV的正弦波信號(hào)經(jīng)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(shí)現(xiàn)最大值。通過示波器探針測(cè)試AM腳“11”中頻放大器輸出端。實(shí)驗(yàn)表明：AM中頻放大器中心頻率f0=158 kHz，峰峰值可達(dá)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(dāng)輸入信號(hào)頻率為40 kHz時(shí)，輸出峰峰值為6 V。
2.2 FM中放測(cè)試
　　由于兩級(jí)FM中頻放大器帶寬一樣，為避免由于增益過高導(dǎo)致輸出信號(hào)出現(xiàn)飽和失真以及自激振蕩，實(shí)驗(yàn)采用增益為33 dB的FM中頻放大器2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同樣將峰峰值為100 mV的正弦波信號(hào)經(jīng)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(cè)試FM腳“7”中頻放大器輸出端。實(shí)驗(yàn)表明：FM中頻放大器中心頻率f0=187 kHz，峰峰值可達(dá)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，F(xiàn)M中頻放大器帶寬為864 kHz。另外，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為40 kHz時(shí)，輸出峰峰值為2.9 V。
    通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，調(diào)頻、調(diào)幅中頻放大器AN7218用于中頻小信號(hào)放大時(shí)，效果十分理想。本文電路設(shè)計(jì)采用中心頻率為40 kHz的超聲波測(cè)距接收電路，信號(hào)中心頻率處于帶寬范圍內(nèi)，回波信號(hào)幅值較中心頻率處峰峰值損失少，因此調(diào)頻、調(diào)幅中頻放大器AN7218作為超聲波測(cè)距接收電路的前級(jí)放大使用能起到很好的效果。
3 調(diào)頻(FM)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及典型應(yīng)用
    調(diào)頻部分由兩級(jí)組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。第一級(jí)調(diào)頻中頻放大器電壓增益可達(dá)到42 dB，且工作性能穩(wěn)定。其內(nèi)部設(shè)計(jì)由Q1、Q2、Q3構(gòu)成，R7作為放大器負(fù)載。第二級(jí)調(diào)頻中頻放大器增益為33 dB，其內(nèi)部設(shè)計(jì)由Q5、Q6以及Q10、Q11組成的兩個(gè)差分放大器以及Q8構(gòu)成，兩個(gè)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(shí)對(duì)FM中頻信號(hào)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(shè)計(jì)，用戶根據(jù)需要，自己外接電源與上拉電阻。

    在超聲波接收電路設(shè)計(jì)中，超聲波換能器轉(zhuǎn)換成的電壓信號(hào)可直接由腳“2”輸入，第一級(jí)放大后的信號(hào)由腳“4”輸出，但由于超聲波的回波信號(hào)經(jīng)常是寬帶的脈沖信號(hào)，前級(jí)放大后的信號(hào)電壓幅度應(yīng)該盡可能大，以方便后續(xù)電路的處理，因此兩級(jí)放大之間應(yīng)通過耦合電容相連。然而實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，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(tài)，造成了信號(hào)不穩(wěn)定以及自激振蕩。通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終采用犧牲部分增益、保證工作穩(wěn)定的方案，即將第一級(jí)放大后的信號(hào)通過耦合電容送至腳“8”，這樣就減緩了兩個(gè)差分放大器的限幅作用。
   典型的AN7218應(yīng)用時(shí),電源電壓的推薦值是5 V左右, 否則會(huì)破壞集成電路的工作條件。實(shí)驗(yàn)表明，第一級(jí)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(xiàng)措施后集成電路輸出信號(hào)的電壓峰峰值在10 V以上,較典型的工作狀態(tài)提高約5倍。
    圖2 是AN7218用于中心頻率為40 kHz超聲波測(cè)距回波信號(hào)放大時(shí)的原理圖,雖然AN7218放大后得到的信號(hào)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(shí),其電壓增益在75 dB左右），前級(jí)的干擾噪聲造成的影響很大，干擾信號(hào)的峰峰值有時(shí)可達(dá)到2 V左右,為了減少高頻干擾信號(hào)，增加輸入信號(hào)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(gè)0.01 μF的耦合電容C1,這樣耦合過來的有用信號(hào)比例加大，放大后的信號(hào)會(huì)很好，如圖3示波器截圖的2通道（1通道為觸發(fā)信號(hào)）所示，第一級(jí)中頻放大器輸出的基線在3 V左右，峰峰值可達(dá)到750 mV，對(duì)輸入小信號(hào)進(jìn)行了有效地低噪聲、低失真放大。

4 調(diào)幅(AM)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及典型應(yīng)用
    調(diào)幅（AM）部分由AM混頻和AM調(diào)幅中頻放大器兩部分構(gòu)成。圖5所示的調(diào)幅（AM）部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，調(diào)幅中頻放大器部分由Q23、Q24、Q25、Q26構(gòu)成，R31、R32、R35、R37作為放大器負(fù)載,Q26的集電極采用OC門設(shè)計(jì)，用戶根據(jù)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(shí)AM混頻和AM調(diào)幅中頻放大器的獨(dú)立設(shè)計(jì)，因此AM調(diào)幅中頻放大器可直接與換能器鏈接，用做小信號(hào)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(shí)作為負(fù)載的R21、R23、R24、R27構(gòu)成，此部分多用于收音機(jī)混頻使用。

    圖6 是AN7218用于中心頻率為40 kHz超聲波測(cè)距回波信號(hào)放大時(shí)的原理圖。同樣由于該放大器電壓增益比較高，前級(jí)的干擾噪聲造成的影響很大，為了減少高頻干擾信號(hào)，增加輸入信號(hào)的有用成分，在AN7218的輸入級(jí)用一個(gè)0.01 ?滋F的耦合電容C1,這樣耦合過來的有用信號(hào)比例加大，放大后的信號(hào)效果會(huì)很好。由于調(diào)幅中頻放大器的輸出端中腳“11”內(nèi)部結(jié)構(gòu)為OC門，因此加入2.7 kΩ的上拉電阻接12 V電源，使調(diào)幅中頻放大器的輸出信號(hào)基線為6 V左右，增加信號(hào)的動(dòng)態(tài)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(hào)峰峰值可達(dá)到800 mV左右，其直流偏置為6 V。

　經(jīng)上拉電阻的AM中頻放大器輸出信號(hào)經(jīng)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(jī)調(diào)幅應(yīng)用中常常通過檢波后的直流電平控制AGC輸入端，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的自動(dòng)增益控制。在超聲接收電路應(yīng)用中可以通過外加直流電平的方式控制增益，進(jìn)而控制輸出波形的幅值大小。由于實(shí)驗(yàn)過程中，輸出波形的幅值很小，為達(dá)到前級(jí)放大的效果，本文在圖6所示的設(shè)計(jì)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(hào)輸入，腳“16”為AM混頻信號(hào)的輸入端，腳“15”為AM混頻信號(hào)的輸出端，腳“13”為AGC控制輸入端。AM混頻部分常用于收音機(jī)變頻，從天線送來的調(diào)幅信號(hào)接入腳“16”與腳“1”接入的本機(jī)振蕩信號(hào)進(jìn)行變頻處理，即本機(jī)振蕩頻率-輸入信號(hào)頻率=差頻，在我國,差頻信號(hào)的頻率為465 kHz，在收音機(jī)的應(yīng)用中，差頻信號(hào)經(jīng)過AM中頻放大器、檢波電路等信號(hào)處理后還原音頻信號(hào)，于此同時(shí)，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(jí)的增益，使該級(jí)不發(fā)生波形失真，進(jìn)而獲取完整準(zhǔn)確的音頻信號(hào)。
5 電源部分設(shè)計(jì)
 由于AN7218很容易受到高頻噪聲的影響，為保證超聲回波信號(hào)的高信噪比，需要對(duì)電源進(jìn)行濾波和隔離處理，本文設(shè)計(jì)了π型電源濾波電路， 即通過0.1 μF和10 μF的電容分別對(duì)高頻和低頻噪聲濾波，通過磁珠實(shí)現(xiàn)隔離效果，這樣確?；夭ㄐ盘?hào)免受電源噪聲的影響。電源設(shè)計(jì)如圖8所示。

    基于調(diào)頻、調(diào)幅中頻放大器AN7218設(shè)計(jì)的超聲波接收電路有效地解決了超聲接收電路前級(jí)放大電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪聲較大、阻抗匹配的難題，而且輸出波形動(dòng)態(tài)特性十分理想。實(shí)驗(yàn)表明，利用AN7218實(shí)現(xiàn)超聲波接收電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可以廣泛應(yīng)用于超聲波測(cè)距、超聲波探傷、無損檢測(cè)等領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)
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