CN104393851A - 应用于超声波热量表的自动增益控制电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于超声波热量表的自动增益控制电路及其控制方法，双路运算放大器U2A将超声波输出信号Vo与直流参考电压V_r相比较，只有在Vo的正峰值大于V_r时，U2A才有正脉冲输出。电容C2上的直流电压Vc’与Vo的半峰值大小呈函数关系。Vc’经过双路运算放大器U2B送到U1的增益控制输入端，成为直流控制电压Vc。较大的超声输出信号Vo被检测为一个直流电压Vc’，Vo越大则Vc’越大，VCA810的增益将越小；反之，Vo越小，VCA810的增益将自动增加。当回波信号Vi的幅度发生变化时，由于上述正向AGC控制，可以保持输出信号Vo幅度基本不变，避免采样信号失真，输出信号更为精确。

Description

应用于超声波热量表的自动增益控制电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制或仪器仪表的自动增益控制电路，尤其涉及一种应用于超声波热量表的自动增益控制电路及其控制方法。

背景技术

超声波回波信号的动态幅度范围很宽，随着被测流速的升高，接收到的回波信号幅度从几十mV到几百mV变化，其幅值变化很大。一些仪器仪表在信号处理过程中，没有使用增益控制电路，就直接进行检波和计算。当回波信号幅值很小时，检波电路无法检测到，导致单片机最终得不到接收信号，最终导致仪表测量失败；当回波信号幅值较大时，单片机得到已经饱和的接收信号，致使信号失真，最终导致仪表测量精度超出要求。还有一些仪表仅仅使用开环增益电路，在回波信号强度低时，检波电路或许能够检测到放大后的信号，单片机或许能够正常测量，但是无法有效的保证测量精度；在回波信号强度高时，经过开环增益电路放大后，导致信号饱和，检波电路检测到失真的回波信号，最终导致单片机接收到的信号失真，大大降低了仪表输出信号的精度；如果回波信号幅值过高，经过开环增益后会使电路产生自激，从而使检波电路无法检测到信号，导致单片机测量失败。以上设计的缺陷主要在于：

1 如果仪表采用开环增益电路，当回波信号强度高时，在经过开环增益放大后，导致回波信号饱和，检波电信输出失真；或使电路产生自激，无法检测到回波信号，大大降低了仪表输出信号的精度。

2 如果仪表中没有使用自动增益控制电路，会导致单片机最终得不到接收信号，或者得到已经饱和的接收信号，致使测量失败。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种可以控制输出信号的强度，避免采样信号失真，控制后所输出信号更为精确的一种应用于超声波热量表的自动增益控制电路及其控制方法。

本发明为了实现上述目的，所采用的技术方案是：一种应用于超声波热量表的自动增益控制的电路，其特征在于：输入信号Vi与电阻R1的一端、带增益的放大器U1的反向输入端8脚连接，电阻R1的另一端、带增益的放大器U1的同向输入端1脚、2脚连接于地，带增益的放大器U1的增益控制端3脚连接于双路运算放大器U2B通道二的反向输入端6脚和输出端7脚， U2B通道二的同向端5脚连接于电阻R2、电阻R3、电阻R4和电容C2 的一端，电阻R2 的另一端连接电容C1的一端及负电源，电阻R3、电容C1、电容C2的另一端接地，电阻R4的另一端连接二极管D1的负极，双路运算放大器U2A通道一的输出端1脚连接于二极管D1的正极和电容C5的一端，电容C5的另一端连接于U2A通道一的同向输入端3脚，U2A通道一的反向输入端2脚通过电阻R5连接于电阻R6的一端、二极管D2的正极，二极管D2的负极接地，电阻R6的另一端连接于正电源，带增益的放大器U1的6脚、双路运算放大器U2A的8脚、电容C3的一端连接于正电源，U1的7脚、U2A的4脚、电容C4的一端连接于负电源，电容C3、电容C4的另一端连接于地，带增益的放大器U1的输出端5脚、双路运算放大器U2A通道一的同向输入端3脚输出信号Vo。

一种应用于超声波热量表的自动增益控制的电路控制方法，其特征在于：所谓自动增益控制是指放大电路的增益自动地随信号强度而调整的控制方法，实现这种功能的电路简称AGC电路；AGC电路是一个闭环电子电路，也是一个负反馈系统，它可以分成增益受控放大电路和控制电压形成电路两部分；增益受控放大电路位于正向放大通路，其增益随控制电压而改变；控制电压形成电路属于一种负反馈电路，其基本部件是AGC检波器和低通滤波器；放大电路的输出信号经检波并经整流滤波后，产生用以控制增益受控放大器的直流电压；当输入信号增大时，输出信号和增益控制直流电压亦随之增大；增益控制电压增大，使放大电路的增益下降，最后使其输出信号的幅度基本上不随输入信号的变化而变化，达到自动增益控制的目的；

AGC有两种控制方式：一种是利用增加AGC控制电压的方式来减小增益的方式叫正向AGC，一种是利用减小AGC控制电压的方式来减小增益的方式叫反向AGC；正向AGC 控制能力强，所需控制功率大，被控放大级工作点变动范围大，放大器两端阻抗变化也大；反向AGC所需控制功率小，控制范围也小；本电路设计选择了正向AGC控制方式。

本发明的有益效果是：可以提高自动信号的强度，避免采样信号失真，输出信号更为精确。由于上述控制方法的使用，将使超声波热量表的接收信号Vo的幅度与采样信号强度无关。当采样信号弱时，通过自动增益控制可以实现自动增强信号强度，不会丢失采样数据，保证了仪表采样的数量；当采样信号强时，可以自动控制降低增益倍数，避免信号失真，保证了仪表采样的质量。因此，后续检波电路可以很容易地从接收信号中提取出准确的接收时刻，从而保证单片机计算的精度，提高仪表的测量准确性。

附图说明

图1是本发明的电路连接框图；

图2是本发明的电路原理图。

具体实施方式

如图1、图2所示，带增益的放大器U1为VCA810；双路运算放大器U2A、双路运算放大器U2B为OP37。

一种应用于超声波热量表的自动增益控制的电路控制方法：所谓自动增益控制是指放大电路的增益自动地随信号强度而调整的控制方法。实现这种功能的电路简称AGC电路。AGC电路是一个闭环电子电路，也是一个负反馈系统，它可以分成增益受控放大电路和控制电压形成电路两部分。增益受控放大电路位于正向放大通路，其增益随控制电压而改变。控制电压形成电路属于一种负反馈电路，其基本部件是AGC检波器和低通滤波器。放大电路的输出信号经检波并经整流滤波后，产生用以控制增益受控放大器的直流电压。当输入信号增大时，输出信号和增益控制直流电压亦随之增大。增益控制电压增大，使放大电路的增益下降，最后使其输出信号的幅度基本上不随输入信号的变化而变化，达到自动增益控制的目的。

AGC有两种控制方式：一种是利用增加AGC控制电压的方式来减小增益的方式叫正向AGC，一种是利用减小AGC控制电压的方式来减小增益的方式叫反向AGC。正向AGC 控制能力强，所需控制功率大，被控放大级工作点变动范围大，放大器两端阻抗变化也大；反向AGC所需控制功率小，控制范围也小。本电路设计选择了正向AGC控制方式。

工作原理：

回波信号自带增益的放大器U1的反相输入端的8脚进入，自5脚输出超声波信号Vo，双路运算放大器U2A将Vo与直流参考电压V_r相比较，因此只有在Vo的正峰值大于V_r时，双路运算放大器U2A才有正脉冲输出，且比V_r越大，双路运算放大器U2A正脉冲输出信号的宽度越宽。该正脉冲输出被二极管D1和电容C2进行面积均值检波，导致电容C2上的直流电压与Vo的半峰值大小呈函数关系。图中电阻R4为电容C2的正向充电电阻，二极管D1保证电容C2不对双路运算放大器U2A放电。此外，电阻R3是电容C2的放电电阻，保证电容C2上有适当的降压速度。而电阻R2和电阻R3可以为电容C2上的电压Vc’提供静态值，该值将形成VCA810静态时的增益。双路运算放大器U2B是一个简单的电压跟随器，它将电容C2上的电压Vc’按1：1的比例送到U1的增益控制输入端3脚，成为直流控制电压Vc。

较大的超声输出信号Vo被检测为一个直流电压Vc’，Vo越大则Vc’越大，VCA810的增益将越小；反之，超声波信号Vo越小，VCA810的增益将自动增加。可见，当回波信号Vi的幅度发生变化时，由于上述正向AGC控制，可以保持输出信号Vo幅度基本不变。实验证明，在有效输入范围内，输入信号的幅度变化100倍，Vo输出幅度变化最大仅为10%。

Claims (2)

1. 一种应用于超声波热量表的自动增益控制的电路，其特征在于：输入信号Vi与电阻R1的一端、带增益的放大器U1的反向输入端8脚连接，电阻R1的另一端、带增益的放大器U1的同向输入端1脚、2脚连接于地，带增益的放大器U1的增益控制端3脚连接于双路运算放大器U2B通道二的反向输入端6脚和输出端7脚， U2B通道二的同向端5脚连接于电阻R2、电阻R3、电阻R4和电容C2 的一端，电阻R2 的另一端连接电容C1的一端及负电源，电阻R3、电容C1、电容C2的另一端接地，电阻R4的另一端连接二极管D1的负极，双路运算放大器U2A通道一的输出端1脚连接于二极管D1的正极和电容C5的一端，电容C5的另一端连接于U2A通道一的同向输入端3脚，U2A通道一的反向输入端2脚通过电阻R5连接于电阻R6的一端、二极管D2的正极，二极管D2的负极接地，电阻R6的另一端连接于正电源，带增益的放大器U1的6脚、双路运算放大器U2A的8脚、电容C3的一端连接于正电源，U1的7脚、U2A的4脚、电容C4的一端连接于负电源，电容C3、电容C4的另一端连接于地，带增益的放大器U1的输出端5脚、双路运算放大器U2A通道一的同向输入端3脚输出信号Vo。

2.一种应用于超声波热量表的自动增益控制的电路控制方法，其特征在于：所谓自动增益控制是指放大电路的增益自动地随信号强度而调整的控制方法，实现这种功能的电路简称AGC电路；AGC电路是一个闭环电子电路，也是一个负反馈系统，它可以分成增益受控放大电路和控制电压形成电路两部分；增益受控放大电路位于正向放大通路，其增益随控制电压而改变；控制电压形成电路属于一种负反馈电路，其基本部件是AGC检波器和低通滤波器；放大电路的输出信号经检波并经整流滤波后，产生用以控制增益受控放大器的直流电压；当输入信号增大时，输出信号和增益控制直流电压亦随之增大；增益控制电压增大，使放大电路的增益下降，最后使其输出信号的幅度基本上不随输入信号的变化而变化，达到自动增益控制的目的；

AGC有两种控制方式：一种是利用增加AGC控制电压的方式来减小增益的方式叫正向AGC，一种是利用减小AGC控制电压的方式来减小增益的方式叫反向AGC；正向AGC 控制能力强，所需控制功率大，被控放大级工作点变动范围大，放大器两端阻抗变化也大；反向AGC所需控制功率小，控制范围也小；本电路设计选择了正向AGC控制方式。