CN104320097A - 快速稳定的超声波信号自动增益控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

快速稳定的超声波信号自动增益控制装置及其控制方法。本发明涉及一种本发明涉及快速稳定的超声波信号自动增益控制装置。其技术方案是：包括单片机、超声波驱动电路、超声波探头、顺逆流切换电路、自动增益电路、自动增益控制电路、二级放大电路、比较电路、信号强度检测电路和电平扫描比较电路，自动增益电路的输出端与二级放大电路的输入端连接，二级放大电路的输出端与电平扫描比较电路的输入端连接，二级放大电路的输出端还通过比较电路与信号强度检测电路的输入端连接，信号强度检测电路的输出端与单片机连接，电平扫描比较电路的输出端与信号强度检测电路的输入端端连接，电平扫描比较电路的控制端与单片机电连接。本发明通过双闭环控制回路的方式来实现快速捕捉信号幅值。

Description

快速稳定的超声波信号自动增益控制装置及其控制方法

技术领域

本发明属于流体信号检测装置，特别涉及一种快速稳定的超声波信号自动增益控制装置及其控制方法。

背景技术

时差法超声波流量计是一种无运动部件的流量测量仪表(参见附图1)，其在流通通道未设置任何阻碍件，无压力损失；可做非接触式测量；可测量非导电性液体，对无阻挠测量的电磁流量计是一种补充；除带测量管段式外，一般不需要作实流校验；特别在大口径流量测量方面有较突出的优点，近年来它是发展迅速的一类流量计之一。超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息，因此通过计算顺逆流发射的超声波信号的传播时间就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。流速计算公式为：

其中v为流速，D为管道内径，T顺和T逆分别为超声波顺逆流传播时间，θ为传播路径与流体流向的夹角。在信号检测过程中，由于不同口径、不同安装方法情况下超声波有不同程度的衰减，原始信号幅值可能在几个毫伏到五六百毫伏之间变化，因此固定增益电路是无法满足测量要求的。目前业内普遍采用自动增益AGC电路加固定增益电路来对信号进行放大，而自动增益的实现需要对信号的当前幅值进行判断，然后根据幅值情况决定增益值。幅值判断的方法通常是使用一个数模电压转换DAC来产生不同的电压值Vrefx，以此电压值作为比较基准与放大后的信号进行幅值比较，Vrefx在一定电压范围内循环变化，通过这种扫描式的比较方法来检测信号幅值。采用上述方法用来调整信号强度时，能够比较完整的在整个输出幅值范围内对信号进行跟踪，扫描电压可自定义细分，但存在一定的问题：由于单次扫描只有一个电平值，仅凭这一个比较结果无法判断信号幅值的范围，需要多次改变比较电压来进行检测，而每次改变都要一个测量周期，要确定幅值范围所需要的周期数较多，并且每次调整自动增益后，信号幅值发生变化，需要再次确定幅值范围，影响了增益稳定的时间。

申请号为CN200620014473.8，公开日为2007年9月5日的一种信号增益放大系统，主要包括：信号采集单元，该信号增益放大系统还包括信号放大及增益调整单元，所述信号放大及增益调整单元主要包括可调增益电阻组，放大器，该可调增益电阻组的两端与放大器的两增益调整引脚电连接；其中，信号放大及增益调整单元与信号采集单元电连，信号采集单元将直接采集到的信号输入到信号放大及增益调整单元中，信号放大及增益调整单元将信号增益后输出到负载中；此技术方案应用在流体信号检测中的话，在信号检测过程中，由于不同口径、不同安装方法情况下超声波有不同程度的衰减，原始信号幅值可能在几个毫伏到五六百毫伏之间变化，因此固定增益电路是无法满足测量要求的。目前业内普遍采用自动增益AGC电路加固定增益电路来对信号进行放大，而自动增益的实现需要对信号的当前幅值进行判断，然后根据幅值情况决定增益值。幅值判断的方法通常是使用一个数模电压转换DAC来产生不同的电压值Vrefx，以此电压值作为比较基准与放大后的信号进行幅值比较，Vrefx在一定电压范围内循环变化，通过这种扫描式的比较方法来检测信号幅值。采用上述方法用来调整信号强度时，能够比较完整的在整个输出幅值范围内对信号进行跟踪，扫描电压可自定义细分，但存在一定的问题：由于单次扫描只有一个电平值，仅凭这一个比较结果无法判断信号幅值的范围，需要多次改变比较电压来进行检测，而每次改变都要一个测量周期，要确定幅值范围所需要的周期数较多，并且每次调整自动增益后，信号幅值发生变化，需要再次确定幅值范围，影响了增益稳定的时间。

发明内容

本发明目的在于解决现有技术都存在需要多次改变比较电压来进行检测，而每次改变都要一个测量周期，要确定幅值范围所需要的周期数较多，并且每次调整自动增益后，信号幅值发生变化，需要再次确定幅值范围，影响了增益稳定时间的问题，提供一种在现有技术基础上，来实现快速捕捉信号幅值，既快且准的进行自动增益调节的快速稳定的超声波信号自动增益控制装置及其控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种快速稳定的超声波信号自动增益控制装置，由电源供电，包括单片机、超声波驱动电路、超声波探头、顺逆流切换电路、自动增益电路、自动增益控制电路、二级放大电路、比较电路、信号强度检测电路和电平扫描比较电路，所述的单片机分别通过超声波驱动电路与超声波探头的控制端电连接，所述超声波探头的输出端通过顺逆流切换电路与自动增益电路输入端连接，单片机还通过自动增益控制电路与所述自动增益电路的控制端电连接，自动增益电路的输出端与二级放大电路的输入端连接，二级放大电路的输出端与电平扫描比较电路的输入端连接，二级放大电路的输出端还通过比较电路与信号强度检测电路的输入端连接，信号强度检测电路的输出端与单片机连接，电平扫描比较电路的输出端与信号强度检测电路的输入端端连接，电平扫描比较电路的控制端与单片机电连接。本发明采用的是将整个电路设计为两套复用的信号幅值采集装置，通过双闭环控制回路的方式来实现快速捕捉信号幅值，可以既快且准的进行自动增益调节，减少了超声波接收信号的稳定时间，改善了不理想工况下信号幅值波动较大的问题，具有很好的实践效果。

作为优选，所述比较电路为4线比较电路。

作为优选，所述电平扫描比较电路为DAC电平扫描比较电路。

一种快速稳定的超声波信号自动增益控制方法，适用于如权利要求3所述的快速稳定的超声波信号自动增益控制装置，

步骤一：设定并读取预订电压值、第一电压值、第二电压值、第三电压值和第四电压值，所述第一电压值、第二电压值、第三电压值和第四电压值依次等值增大，第一电压值、第二电压值、第三电压值和第四电压值由4线比较电路确定，预订电压值大于第二电压值且小于第三电压值；

步骤二：根据顺逆流情况调整顺逆流切换电路；

步骤三：对信号幅值进行初步判定和粗调，得知其信号幅值大于第四电压值时，则对增益值进行大幅度下调，得知其信号幅值介于第三电压值和第四电压值之间时，则对增益值进行小幅度下调，得知其信号幅值介于第一电压值和第二电压值之间时，则对增益值进行小幅度上调，得知其信号幅值介于小于第一电压值时，则对增益值进行大幅度上调，得知其信号幅值介于第二电压值和第三电压值之间时，则利用DAC扫描比较电路对信号幅值进行细调；

步骤四：DAC比较电压根据第二电压值和第三电压值确定的范围，以细微幅值在预定电压值上下变化，然后根据比较结果微调增益值，通过步步逼近法使信号幅值接近预定电压值，所述细微幅值为人工设定值。本发明通过采用两套信号幅值采集方案，来实现快速捕捉信号幅值，既快且准的进行自动增益调节。

1、多路固定电压将整个信号范围划分为若干个区域，通过采集这几个比较信号，可以粗略的知道信号幅值处于哪个区域，从而进行相应增益调整，使其较快速的往预定的幅值发展。

2、再通过DAC扫描比较，比较电压Vrefx以一定梯度动态循环调整，Vrefx在预定幅值范围附近进行细调，每一次信号采集到之后都会与其中一档电压进行比较，这个过程将使处理后的信号幅值更为精确的贴近预定幅值，从而使用于流量计算的时间更真实，测得的流量更准确。

作为优选，所述步骤四中的比较电压以梯度动态循环方式进行调整，比较电压在预定幅值范围附近进行细调，每一次信号采集到之后都会与其中一档电压进行比较。

本发明的实质性效果是：本发明采用的是将整个电路设计为两套复用的信号幅值采集装置，通过双闭环控制回路的方式来实现快速捕捉信号幅值，可以既快且准的进行自动增益调节，减少了超声波接收信号的稳定时间，改善了不理想工况下信号幅值波动较大的问题，具有很好的实践效果。

附图说明

图1为背景技术的一种结构示意图；

图2为DAC扫描采集信号幅值波形图；

图3为多路固定电压比较的一种波形图；

图4为本实施例的一种系统框图。

图中：1、单片机，2、超声波驱动电路，3、超声波探头，4、信号强度检测电路，5、DAC电平扫描比较电路，6、自动增益控制电路，7、顺逆流切换电路，8、4线比较电路，9、二级放大电路，10、自动增益电路。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

实施例：

一种快速稳定的超声波信号自动增益控制装置(参见附图2、附图3和附图4)，由电源供电，包括单片机1、超声波驱动电路2、超声波探头3、顺逆流切换电路7、自动增益电路10、自动增益控制电路6、二级放大电路9、比较电路、信号强度检测电路4和电平扫描比较电路，所述的单片机分别通过超声波驱动电路与超声波探头的控制端电连接，所述超声波探头的输出端通过顺逆流切换电路与自动增益电路输入端连接，单片机还通过自动增益控制电路与所述自动增益电路的控制端电连接，自动增益电路的输出端与二级放大电路的输入端连接，二级放大电路的输出端与电平扫描比较电路的输入端连接，二级放大电路的输出端还通过比较电路与信号强度检测电路的输入端连接，信号强度检测电路的输出端与单片机连接，电平扫描比较电路的输出端与信号强度检测电路的输入端端连接，电平扫描比较电路的控制端与单片机电连接。所述比较电路为4线比较电路8。4线比较电路可以由多个比较器或若干个触发器构成，构成种类和方式较多，不一一赘述，比较典型的是一个比较电压对应一个比较器输出比较信号，所述电平扫描比较电路为DAC电平扫描比较电路5。

一种快速稳定的超声波信号自动增益控制方法，适用于如上述实施例所述的快速稳定的超声波信号自动增益控制装置，包括以下步骤：

步骤一：设定并读取预订电压值、第一电压值、第二电压值、第三电压值和第四电压值，所述第一电压值、第二电压值、第三电压值和第四电压值依次等值增大，第一电压值、第二电压值、第三电压值和第四电压值由4线比较电路确定，预订电压值大于第二电压值且小于第三电压值；

步骤二：根据顺逆流情况调整顺逆流切换电路；

步骤三：对信号幅值进行初步判定和粗调，得知其信号幅值大于第四电压值时，则对增益值进行大幅度下调，得知其信号幅值介于第三电压值和第四电压值之间时，则对增益值进行小幅度下调，得知其信号幅值介于第一电压值和第二电压值之间时，则对增益值进行小幅度上调，得知其信号幅值介于小于第一电压值时，则对增益值进行大幅度上调，得知其信号幅值介于第二电压值和第三电压值之间时，则利用DAC扫描比较电路对信号幅值进行细调；

步骤四：DAC比较电压根据第二电压值和第三电压值确定的范围，以细微幅值在预定电压值上下变化，然后根据比较结果微调增益值，通过步步逼近法使信号幅值接近预定电压值，所述细微幅值为人工设定值。

所述步骤四中的比较电压以梯度动态循环方式进行调整，比较电压在预定幅值范围附近进行细调，每一次信号采集到之后都会与其中一档电压进行比较。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (5)

1.一种快速稳定的超声波信号自动增益控制装置，由电源供电，其特征在于：包括单片机、超声波驱动电路、超声波探头、顺逆流切换电路、自动增益电路、自动增益控制电路、二级放大电路、比较电路、信号强度检测电路和电平扫描比较电路，所述的单片机分别通过超声波驱动电路与超声波探头的控制端电连接，所述超声波探头的输出端通过顺逆流切换电路与自动增益电路输入端连接，单片机还通过自动增益控制电路与所述自动增益电路的控制端电连接，自动增益电路的输出端与二级放大电路的输入端连接，二级放大电路的输出端与电平扫描比较电路的输入端连接，二级放大电路的输出端还通过比较电路与信号强度检测电路的输入端连接，信号强度检测电路的输出端与单片机连接，电平扫描比较电路的输出端与信号强度检测电路的输入端端连接，电平扫描比较电路的控制端与单片机电连接。

2.根据权利要求1所述的快速稳定的超声波信号自动增益控制装置，其特征在于：所述比较电路为4线比较电路。

3.根据权利要求2所述的快速稳定的超声波信号自动增益控制装置，其特征在于：所述电平扫描比较电路为DAC电平扫描比较电路。

4.一种快速稳定的超声波信号自动增益控制方法，适用于如权利要求3所述的快速稳定的超声波信号自动增益控制装置，其特征在于：

步骤一：设定并读取预订电压值、第一电压值、第二电压值、第三电压值和第四电压值，所述第一电压值、第二电压值、第三电压值和第四电压值依次等值增大，第一电压值、第二电压值、第三电压值和第四电压值由4线比较电路确定，预订电压值大于第二电压值且小于第三电压值；

步骤二：根据顺逆流情况调整顺逆流切换电路；

步骤三：对信号幅值进行初步判定和粗调，得知其信号幅值大于第四电压值时，则对增益值进行大幅度下调，得知其信号幅值介于第三电压值和第四电压值之间时，则对增益值进行小幅度下调，得知其信号幅值介于第一电压值和第二电压值之间时，则对增益值进行小幅度上调，得知其信号幅值介于小于第一电压值时，则对增益值进行大幅度上调，得知其信号幅值介于第二电压值和第三电压值之间时，则利用DAC扫描比较电路对信号幅值进行细调；

步骤四：DAC比较电压根据第二电压值和第三电压值确定的范围，以细微幅值在预定电压值上下变化，然后根据比较结果微调增益值，通过步步逼近法使信号幅值接近预定电压值，所述细微幅值为人工设定值。

5.根据权利要求4所述的快速稳定的超声波信号自动增益控制方法，其特征在于：所述步骤四中的比较电压以梯度动态循环方式进行调整，比较电压在预定幅值范围附近进行细调，每一次信号采集到之后都会与其中一档电压进行比较。