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一種應用于超聲波流量計中的高可靠性的電路設計
發布時間：2017-09-01
1超聲信號的發射電路
超聲信號的發射電路也稱超聲驅動電路,其作用是要產生一個具有一定輸出功率、一定脈沖寬度和一定頻率的超聲電脈沖去激勵發射換能器,由換能器轉換為超聲波向外發射。
圖1中所選用的超聲換能器是用于氣體測量用的專用產品,其最佳工作頻率為200kHz。所以由單片機發出的200kHz方波信號UIN,經過驅動、功率場效應管IRF、變壓器升壓,最后加到換能器JA兩端,使換能器能夠工作在它的共振頻率上,從而向空間定向發射200kHz的超聲波。
圖1中的R3起負反饋的作用,使場效應管的漏極電壓趨于穩定。C1與變壓器B的初級線圈形成LC諧振,保證其實現最大功率的輸出。但R3與C1又形成RC支路,所以R3不宜太大,否則會影響發射波形的質量。變壓器的匝數比為6∶90,輸出電壓約200Vpp。
2超聲信號的接收電路
超聲波接收電路的作用是將接收換能器輸出的微弱信號進行濾波、放大、檢波、整形,得到滿足要求的脈沖信號,最后送入單片機進行數據處理,提取出所要測量的參數。
設計接收電路時,采用了兩級放大。前級放大選用MAXIM公司的低功耗、寬帶運放MAX4132。第二級使用了ADI公司的帶有自動增益控制(AGC)的運算放大器AD603。接收電路見圖2。在圖2中,前一級運放構成二階無限增益多路反饋帶通濾波器。它衰減有用信號(200kHz)以外的其他頻率的干擾信號。
通用運放MAX4132可以單電源供電(2.7V~6.5V),也可雙電源供電(±1.35V~±3.25V)。由于輸入和輸出端均設計為滿電源工作幅度的軌到軌(Rail2to2rail)結構,使得其直流精度方面非常出色。其低功耗的設計使得每個運放僅需要900μA的工作電流。而且驅動能力強,能驅動低到250Ω的負載。
另外,低失調電壓及高速(GBW=10MHz)的特點使得其非常適合于低電壓供電的精密數據采集系統。
3AGC(自動增益控制)運算放大器電路的設計及實現
由于煤氣在管道中的流速是可變的,如果接收到的超聲信號的幅度隨著煤氣的流速的改變而改變,時間測量結果就會產生誤差。為了使接收信號的幅度在氣體流速變化時仍能保持不變,就需要對接收信號的幅度進行控制,即在接收信號強時,減少運放的增益,而在接收信號弱時,增大運放的增益,以達到使接收信號保持穩幅輸出的目的。
圖2中的AD603的增益范圍為0~40dB。在增益范圍內,增益電阻阻值Rg=2.15kΩ。當2腳設定好固定電壓后,AD603的增益變化完全由腳1決定。圖2中,C5、C6和C7為旁路電容,起濾波作用。AD603的信號輸入端(VINP)對地的阻抗只有100Ω,為實現阻抗匹配,在AD603前面加了一個由MAX4132搭成的二階帶通濾波器。
表1為單獨測試AD603實際電路的AGC特性實驗數據,VC采用可調直流穩壓電源的輸出控制。
由表1數據繪出VC(增益控制電壓)與Gain(增益)的關系如圖3所示。從表1和圖3可以看出,當增益用分貝表示時,實現了增益與控制電壓的線性關系。經過調試后的AGC電路圖見圖4。
借助單片機,AGC電路可以對AD603的輸出信號進行峰值檢測。單片機輸出PWM波形,經過一級有源濾波整流變為直流加到AD603的控制端(腳1),實現自動改變增益的目的。即當信號的輸出幅度比所設定的信號幅度大時,則自動減小控制電壓以降低AD603的增益;反之,則加大控制電壓以加大AD603的增益。最終目的是當發射和接收超聲換能器的相互距離發生變化時,AD603的交流輸出電壓幅度總能維持在1.7VPP之值。
圖4中AGC電路由AD603、高速比較器MAX991、高速鎖存器74HC74、微處理器(MSP430單片機)以及有源整流濾波器(由MAX4132實現)組成。
以上器件大部分采用低功耗和HCMOS產品。其中高速比較器MAX991的比較電壓設定為1.7V,以保證AD603能夠輸出±1.7V的正弦波形,即當AD603輸出的波形的最大值超過1.7V時,高速比較器就會發生翻轉,產生一個上升沿,然后由高速鎖存器把此沿鎖住。在超聲信號的接收過程中,如果單片機檢測到了鎖存器的正輸出端(Q腳)為高的話,說明接收信號的幅度超過了設定值1.7VPP。這時,就需要降低AD603的增益,即降低AD603增益電壓控制端VC(腳1)的電壓;當單片機檢測到Q腳為低時,說明接收信號的幅度比設定值小,這時就得加大AD603增益電壓控制端VC(腳1)的電壓。而單片機通過軟件編程能輸出占空比可以改變的脈寬調制波(PWM),經過有源濾波整流為直流,再去控制AD603的增益。
這樣,通過單片機的負反饋,就完成了信號幅度的自控。調試過程中,要注意可變增益運算放大器AD603的腳1和腳2上的直流電壓一定要干凈,所以加上濾波電容,如圖4中C6和C9。此外,所有模擬器件的電源腳,都加了旁路電容,如圖4中C2、C3、C4、C5、C7和C10。經實際調試,效果很好。
4小結
本文所設計的電路能夠適合不同管道直徑的測量,而且在管道內氣體流速發生改變時,超聲換能器所接收到的信號經放大、檢波等處理后保證信號的幅度不變,保證了最終的測量精度。
摘自：中國計量測控網
