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一种应用于超声波流量计中的高可靠性的电路设计
发布时间：2017-09-01
1超声信号的发射电路
超声信号的发射电路也称超声驱动电路,其作用是要产生一个具有一定输出功率、一定脉冲宽度和一定频率的超声电脉冲去激励发射换能器,由换能器转换为超声波向外发射。
图1中所选用的超声换能器是用于气体测量用的专用产品,其最佳工作频率为200kHz。所以由单片机发出的200kHz方波信号UIN,经过驱动、功率场效应管IRF、变压器升压,最后加到换能器JA两端,使换能器能够工作在它的共振频率上,从而向空间定向发射200kHz的超声波。
图1中的R3起负反馈的作用,使场效应管的漏极电压趋于稳定。C1与变压器B的初级线圈形成LC谐振,保证其实现最大功率的输出。但R3与C1又形成RC支路,所以R3不宜太大,否则会影响发射波形的质量。变压器的匝数比为6∶90,输出电压约200Vpp。
2超声信号的接收电路
超声波接收电路的作用是将接收换能器输出的微弱信号进行滤波、放大、检波、整形,得到满足要求的脉冲信号,最后送入单片机进行数据处理,提取出所要测量的参数。
设计接收电路时,采用了两级放大。前级放大选用MAXIM公司的低功耗、宽带运放MAX4132。第二级使用了ADI公司的带有自动增益控制(AGC)的运算放大器AD603。接收电路见图2。在图2中,前一级运放构成二阶无限增益多路反馈带通滤波器。它衰减有用信号(200kHz)以外的其他频率的干扰信号。
通用运放MAX4132可以单电源供电(2.7V~6.5V),也可双电源供电(±1.35V~±3.25V)。由于输入和输出端均设计为满电源工作幅度的轨到轨(Rail2to2rail)结构,使得其直流精度方面非常出色。其低功耗的设计使得每个运放仅需要900μA的工作电流。而且驱动能力强,能驱动低到250Ω的负载。
另外,低失调电压及高速(GBW=10MHz)的特点使得其非常适合于低电压供电的精密数据采集系统。
3AGC(自动增益控制)运算放大器电路的设计及实现
由于煤气在管道中的流速是可变的,如果接收到的超声信号的幅度随着煤气的流速的改变而改变,时间测量结果就会产生误差。为了使接收信号的幅度在气体流速变化时仍能保持不变,就需要对接收信号的幅度进行控制,即在接收信号强时,减少运放的增益,而在接收信号弱时,增大运放的增益,以达到使接收信号保持稳幅输出的目的。
图2中的AD603的增益范围为0~40dB。在增益范围内,增益电阻阻值Rg=2.15kΩ。当2脚设定好固定电压后,AD603的增益变化完全由脚1决定。图2中,C5、C6和C7为旁路电容,起滤波作用。AD603的信号输入端(VINP)对地的阻抗只有100Ω,为实现阻抗匹配,在AD603前面加了一个由MAX4132搭成的二阶带通滤波器。
表1为单独测试AD603实际电路的AGC特性实验数据,VC采用可调直流稳压电源的输出控制。
由表1数据绘出VC(增益控制电压)与Gain(增益)的关系如图3所示。从表1和图3可以看出,当增益用分贝表示时,实现了增益与控制电压的线性关系。经过调试后的AGC电路图见图4。
借助单片机,AGC电路可以对AD603的输出信号进行峰值检测。单片机输出PWM波形,经过一级有源滤波整流变为直流加到AD603的控制端(脚1),实现自动改变增益的目的。即当信号的输出幅度比所设定的信号幅度大时,则自动减小控制电压以降低AD603的增益;反之,则加大控制电压以加大AD603的增益。最终目的是当发射和接收超声换能器的相互距离发生变化时,AD603的交流输出电压幅度总能维持在1.7VPP之值。
图4中AGC电路由AD603、高速比较器MAX991、高速锁存器74HC74、微处理器(MSP430单片机)以及有源整流滤波器(由MAX4132实现)组成。
以上器件大部分采用低功耗和HCMOS产品。其中高速比较器MAX991的比较电压设定为1.7V,以保证AD603能够输出±1.7V的正弦波形,即当AD603输出的波形的最大值超过1.7V时,高速比较器就会发生翻转,产生一个上升沿,然后由高速锁存器把此沿锁住。在超声信号的接收过程中,如果单片机检测到了锁存器的正输出端(Q脚)为高的话,说明接收信号的幅度超过了设定值1.7VPP。这时,就需要降低AD603的增益,即降低AD603增益电压控制端VC(脚1)的电压;当单片机检测到Q脚为低时,说明接收信号的幅度比设定值小,这时就得加大AD603增益电压控制端VC(脚1)的电压。而单片机通过软件编程能输出占空比可以改变的脉宽调制波(PWM),经过有源滤波整流为直流,再去控制AD603的增益。
这样,通过单片机的负反馈,就完成了信号幅度的自控。调试过程中,要注意可变增益运算放大器AD603的脚1和脚2上的直流电压一定要干净,所以加上滤波电容,如图4中C6和C9。此外,所有模拟器件的电源脚,都加了旁路电容,如图4中C2、C3、C4、C5、C7和C10。经实际调试,效果很好。
4小结
本文所设计的电路能够适合不同管道直径的测量,而且在管道内气体流速发生改变时,超声换能器所接收到的信号经放大、检波等处理后保证信号的幅度不变,保证了最终的测量精度。
摘自：中国计量测控网
