超声相控阵自动测距

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为实现超声相控阵的自动测距，用来产生、发射超声波并接收超声回波的超声波换能
器是必不可少的，组成超声相控阵的超声波换能器是超声相控阵自动测距系统的重要组成
部分，是利用超声波技术对障碍物进行测距的关键[}22}。系统能否精确可靠地完成对入侵障
碍物进行自动测距的任务，很大程度上取决于所采用的超声波换能器的性能。

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STM32F407通过编程产生频率为40Khz的方波信号，送给超声波发射电路激励超声换
能器发射超声波。由于STM32输出的信号功率有限，不能直接驱动超声换能器，因而需要
在STM32F407和超声波换能器之间添加功率放大电路，同时为了使发射的超声波探测范围
更广，还需要对该激励脉冲进行升压。在以往的设计中，激励超声换能器的功率放大电路
大都采用有源差分或者双晶体管复合以及逻辑门级连的方式(汽车倒车系统中超声波测距
模块的设计)，采用这种方式仅仅提高了发射功率，但是没有大幅增大超声波换能器上的
d崖值电压，从而大大降低了系统探测入侵障碍物的距离;采用有源差分放大以及逻辑门级
连的方式也会大大增加系统的复杂性。

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超声波发射电路启动发射超声波的瞬间会出现大电流，不仅会对系统的电源有一定
影响，也会在一定程度上干扰超声波接收电路，因此每次超声波信号发射完毕，接收电路
需要延迟一段时间，等稳定下来后才可以进行回波的接收工作。在进行PCB设计的时候超
声波发射电路和接收电路的地线应该分开，这样能减少信号的串扰。

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由若干个超声换能器组成的超声相控阵发射出的超声波信号为球面波，也就是说，接
收到的超声回波信号可能是从很多个角度反射回来的，前置放大电路会把在传播过程中带
来的杂波和回波信号同时放大了好多倍，而这些噪声的存在将直接影响到系统探测的精
度，又由于回波信号中的有用信号都集中在40KHz这一频段左右，因此对回波信号进行以
超声波频率为中心频率的带通滤波是非常有必要的。
本系统采用美国MAXIM公司生产的一款8阶连续时间模拟集成有源滤波器
MAX275。它内部包含有两个独立的二阶有源滤波电路，其中一个二阶有源滤波电路的内
部结构如图4.6所示，从电路可以看出MAX275能够同时进行低通滤波和带通滤波，也能
通过级联的方式实现四阶有源带通滤波器[36]o MAX275采用20脚DIP封装或SO封装形
式，引脚排列如图4.7所示，MAX275的主要电特性参数如表4.2所示，主要引脚的功能
如表4.3所示。

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常见的有源带通滤波电路一般由集成运算放大器和RC网络组成，电路简单，比较容
易实现，但是由于电阻精度及元件周围的寄生电容的影响，参数调整困难，中心频率Fo
和品质因数Q值会出现较大偏差，严重影响滤波的效果，从而会导致整个探测系统的性能
大大降低。MAX275组成的有源带通滤波电路外接元件少，调整参数方便，使用时只需根
据官方手册中提供的相关公式就能计算出合适的外接电阻的阻值，由于没有外接电容，工
作时也不容易受到外接分布电容的影响，经过简单的连接就能很好地满足系统的设计要
求。

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为提高输入信号的信噪比，尽可能多的削弱噪声信号，因而带通滤波器的高品质因数
对本设计系统的性能就显得相当重要，因为前置比例放大电路会同时把回波信号和杂波放
大若干倍，也就是说，前置放大电路并没有提高超声回波信号的信噪比。放大后的信号经
过由MAX275组成的带通滤波电路后，40KHz士O. SKHz以内的超声回波信号将被保留。
实测本设计中硬件电路的带通滤波器的中心频率为39.7KHz, Q值为50，与相同阶数的由
集成运算放大器和RC网络组成的带通滤波器相比，MAX275可以实现更高的Q值，更稳
定的中心频率，更低噪声，更好动态性能的带通滤波器，更加有利于后面的回波信号处理
电路对前置放大的回波信号进行包络检波。

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