CN107407584B - 用于流量计的低成本收发器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于流量计的收发器电路，该收发器电路包括用于有待经由一个或多个相关联的换能器来发射和/或接收的信号的公共信号路径，该收发器电路包括发生器电路、信号处理电路以及有源电路，其中，该有源电路包括第一和第二晶体管，该第一和第二晶体管经由其各自的发射极端子可操作地连接，由此形成组合输入/输出端子，所述组合输入/输出端子可操作地可连接至一个或多个相关联的换能器，该有源电路被适配用于充当用于待发射信号的缓冲器，并且被适配用于充当用于所接收信号的放大器。

Description

用于流量计的低成本收发器电路
技术领域
本发明涉及用于流量计的收发器电路。具体地，本发明涉及用于超声波流量计的低成本且节能的收发器电路。
背景技术
多年来已提出了特别适用于超声波流量计的各种类型的收发器电路。
总体上，超声波流量计(尤其以低流速)的性能直接取决于连接至超声波换能器的前端电路的信号路径(上行与下行)的延迟差。采用低流速，非常小的延迟差可能导致百分之几数量级的测量误差。而且，延迟差可能由超声波换能器的差异引起。可在校准期间去除这些误差，但是它们随时间和温度的变化仍将带来问题。而且，以低流速进行校准是费时的并且因此成本较高。存在解决上述延迟问题的其他电路拓扑，但是这些电路拓扑通常需要昂贵的放大器。
已经在EP 1 426 739中提出了一种非常简单的方法，其中，单个晶体管在超声波信号被发射和接收时分别充当缓冲器和放大器。EP 1 426 739中所提出的电路的缺点是：晶体管需要以A类操作以便保留所发射信号和所接收信号两者的线性度。众所周知，以A类操作模式操作晶体管要求与其他类型的双极拓扑所需的电流水平相比更高数量级的电流水平。
可以认为本发明实施例的目标为提供一种用于流量计(如超声波流量计)的节能收发器电路。
可以认为本发明实施例的另一个目标为提供一种用于流量计(如超声波流量计)的简单且低成本的收发器电路。
发明内容
通过第一方面提供一种用于流量计的收发器电路来满足上述目标，该收发器电路包括用于有待经由一个或多个相关联的换能器来发射和/或接收的信号的公共信号路径，该收发器电路包括发生器电路、信号处理电路以及有源电路，其中：
-该发生器电路可操作地连接至该有源电路的输入端子，
-该信号处理电路可操作地连接至该有源电路的输出端子，
-该有源电路包括第一和第二晶体管，该第一和第二晶体管经由其各自的发射极端子可操作地连接，由此形成组合输入/输出端子，所述组合输入/输出端子可操作地可连接至一个或多个相关联的换能器，该有源电路被适配用于充当用于待发射的信号的缓冲器，并且被适配用于充当用于所接收信号的放大器，并且
-该有源电路的该输入端子可操作地连接至该第一和第二晶体管的基极端子，并且该有源电路的该输出端子可操作地连接至该第一和第二晶体管的集电极端子。
该收发器电路可以作为前端收发器电路来操作。术语前端(front end)在这里被理解为可操作地连接至(直接地或者间接地)相关联换能器的电路。本发明发现了其关于被适配用于测量液体和/或气体的流速的流量计的用途。
优选地，该第一和第二晶体管的发射极是直接连接的。术语发射极(emitter)应当被理解为与双极晶体管相关的发射极以及与场效应晶体管(Field Effect Transistor(FET))相关的源级。类似地，与双极晶体管相关的术语基极(base)和集电极(collector)分别对应于FET的栅极和漏极。
该有源电路被适配用于充当用于待发射信号的缓冲器，并且充当用于所接收信号的放大器。缓冲器的目的是促进更多的电流可以被递送至换能器。该缓冲器可以是单位增益缓冲器，该单位增益缓冲器的电压增益基本上为一。然而，应当注意的是，该缓冲器的电压增益可以不同于一。
形成缓冲器和放大器的有源电路可以确保相关联换能器中的每一个在发射和接收信号时经历基本上恒定的阻抗。
在本文中，术语换能器(transducer)应当被理解为发射换能器或接收换能器。作为示例，能够生成并检测超声波信号的压电换能器关于本发明是可适用的。
类似地，术语收发器电路(transceiver circuit)被理解为能够经由一定数量的相关联换能器发射信号并接收信号的电路。正由相关联换能器发射和/或接收的信号可以是超声波信号。这种超声波信号在这里被理解为频率从100kHz到10MHz(如优选地在1MHz左右)的信号。然而，应当注意的是，其他频率范围也可以适用。
所提出的收发器电路是有利的，因为其简单、价格低廉并且其具有用于所发射信号和所接收信号的公共信号路径。因此，基本上避免了在零流量时的上行信号路径与下行信号路径的延迟差。
而且，可以采用低功耗拓扑对该第一和第二晶体管进行配置，其中，该第一和第二晶体管通过被适配用于设置该第一和第二晶体管的偏置点的电路以AB类模式操作。
该收发器电路可以进一步包括或者连接至用于向和/或从相关联接收换能器和/或发射换能器提供信号的可控开关/多路复用器。因此，该可控开关/多路复用器可以向和从一对换能器提供信号。所述一对换能器中的每一者都可以作为发射换能器以及接收换能器来进行操作。
该收发器电路可以进一步包括或者连接至用于向和/或从相关联接收换能器和/或发射换能器提供信号的附加可控开关/多路复用器。这些附加开关/多路复用器可单独受到控制，从而使得可以采用独立方式向和/或从多个换能器引导信号。
这些开关/多路复用器可以被实现为多种不同的开关/多路复用器类型——作为单极单掷(SPST)开关或者作为多路复用器。开关或多路复用器中的每个元件都可以是简单的集成或分立MOSFET开关或者是用于增强换能器之间的串扰性能的更为复杂的T型开关。其还可以跨换能器与短路开关组合以进一步增强换能器之间的串扰。
优选地，发生器电路具有输出阻抗Z输出，该输出阻抗基本上恒定。发生器电路被适配用于生成周期性信号，如正弦信号、方波信号等。可以以具有适当数量周期的持续时间的脉冲串来提供来自发生器电路的信号。因此，这些脉冲串信号可以包括适当数量周期的正弦信号、方波信号或者甚至单步函数。
还可以提供从有源电路的输出端子到有源电路的组合输入/输出端子的负信号反馈。负信号反馈的量可以是可变的，诸如是即时可变的。术语即时(on-the-fly)在这里被理解为在任何时间可变。作为示例，可以在发射期间使用第一负反馈量，而可以在接收期间使用第二且不同的负反馈量。
在第二方面，本发明涉及一种包括根据本发明的第一方面的收发器电路的流量计。就实现方式而言，可以如关于第一方面所公开的那样来实施和配置收发器电路。
该流量计可以进一步包括多个换能器，该多个换能器可连接至该有源电路的组合输入/输出端子。该多个换能器中的至少一定数量的换能器可以被适配用于既发射信号又接收信号。该多个换能器促进可以相对于给定流的方向上行和下行发送信号(如超声波信号)。
放大器可以被提供用于放大来自有源电路的输出端子的信号。此放大器的增益可以是可变的。关于以下信号处理，这可能是有利的。实际上，放大器的增益可以是即时可变的，即，其可以在任何时间发生变化，如在进行发射与接收之间。
附图说明
现在将参照附图进一步详细地描述本发明，在附图中
图1示出了本发明的原理，
图2示出了包括输出电路的实施例的发明的原理，并且
图3示出了包括偏置电路和输出电路的实施例的本发明的原理。
虽然本发明易于经受各种修改和替代形式，但是已经通过示例的方式在附图中示出了具体的实施例并将在本文中对其进行详细描述。然而，应该理解的是，本发明并不旨在局限于所公开的特定形式。相反，本发明将覆盖落入如由所附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效物以及替代方案。
具体实施方式
在本发明的最一般的方面，本发明涉及一种能够在流量计中(如在超声波流量计中)提供稳定的零流量零偏移的低成本且低功耗的收发器电路拓扑。理想地，本发明的收发器电路拓扑独立于来自温度和变化的换能器阻抗的影响。
为了避免收发器电路的延迟差，本发明提出了一种电路拓扑，该电路拓扑具有用于上行信号和下行信号两者(即，用于待发射或者待接收的信号)的单条公共信号路径。而且，本发明的收发器电路提供了可以可逆方式操作相关联换能器以便避免来自不同换能器阻抗的影响。
现在参照图1，描绘了本发明的收发器电路100的部件。收发器电路100的主要部件为这两个晶体管101和102，这两个晶体管经由其各自的发射极在点114处连接。这些发射极可以如图1中所示的直接连接，或者它们可以经由其他部件(如，经由电阻器)连接。
在进行发射期间，这两个晶体管101、102由信号发生器电路104通过偏置电路103驱动。图1中所示的收发器电路拓扑的主要优点如下：
1)非常简单并且非常低成本的拓扑
2)由于双极AB类拓扑的低电流消耗
收发器电路被如下操作：
在晶体管101、102的发射极处生成低阻抗发射信号，该低阻抗发射信号在进行发射期间被作为双极AB类发射极跟随器操作。该双极AB类射极跟随器通过换能器端接阻抗110和开关/多路复用器111来驱动换能器112、113之一。
应当注意的是，换能器的数量可以不同于图1中示出的这两个。因此，换能器的数量可以是三个、四个、五个或者甚至更多个。同时，开关/多路复用器的数量可以是多于一个。在这种情况下，开关/多路复用器中的每一个都可以单独受到控制。
在进行接收期间，信号发生器电路104不发射，并且通过开关/多路复用器111和换能器端接阻抗110向晶体管101、102的发射极提供来自这两个换能器112、113之一的信号。
晶体管101、102现在通过输出电路105作为双极AB类公共基极放大器进行工作。来自输出电路105的输出信号可以在提供最终输出信号109之前在信号处理电路107中被进一步放大。这种进一步放大可以是可变放大或固定放大，并且其可以取决于信号是被发射还是被接收。电源信号表示为108。
应当注意的是，图1中所示的收发器电路被展示为具有双极晶体管101、102，而且场效应晶体管(FET)是可适用的。在那种情况下，FET的源级直接地或者经由其他部件(如经由电阻器)可操作地连接。
如图1中由虚线所指示的，收发器电路可以可选地包括从输出电路105的输出到晶体管101、102的发射极的负反馈106。负反馈106将提高有源电路的总体线性度。可以采用各种方式来实现该负反馈，如通过使用运算放大器、晶体管、变压器等。
仅示意性地示出了换能器112和113。在实践中，换能器112、113可以包括各种部件，如串联阻抗和并联阻抗。换能器112、113可以能够发射和/或接收信号，如超声波信号。开关/多路复用器111可以被实现为多种不同的开关/多路复用器类型——作为SPST开关或者作为多路复用器。
图2示出了图1中的输出电路105的一种可能实现方式。如图2中所看到的，收发器电路200仍包括信号发生器电路204、偏置电路203以及两个晶体管201、202，该两个晶体管经由其发射极在点214中可操作地连接(直接地或间接地)。换能器端接阻抗210、开关/多路复用器211以及换能器212、213类似于图1中所示的部件。该收发器电路由电源208供电。
描绘了图1的输出电路105的所示实现方式包括两个电容器205和206。从这两个电容器之间的节点处提供输出信号。电阻器215和216被分别插入在供电线路中并且连接至地。来自这两个电容器205、206之间的节点的输出信号可以在提供最终输出信号209之前在放大器207中被进一步放大。同样，这种进一步放大可以是可变的或固定的，并且其可以取决于信号是被发射还是被接收。
图3示出了图2中的偏置电路203的一种可能实现方式。图3中的输出电路与图2的输出电路的相似之处在于：其包括两个电容器305和306，并且从这两个电容器之间的节点处提供输出信号。电阻器315和316被分别插入在供电线路中并且连接至地。来自这两个电容器305、306之间的节点的输出信号可以在提供最终输出信号309之前在放大器307中被进一步放大。如之前陈述的，这种进一步放大可以是可变的或固定的，并且其可以取决于信号是被发射还是被接收。
如图3中所看到的，收发器电路300进一步包括信号发生器电路304、包括两个晶体管317、318的偏置电路，这两个晶体管经由其各自的连接器可操作地连接。信号发生器电路304经由公共点303向偏置电路提供信号。类似于图1和图2，这两个晶体管301、302经由其发射极可操作地连接(直接地或间接地)于点314中。换能器端接阻抗310、开关/多路复用器311以及换能器312、313类似于图1和图2中所示的部件。该收发器电路由电源308供电。
在图3中所示的偏置电路中包括多对匹配晶体管317、302以及晶体管318、301。这些对匹配晶体管消除了发射极电阻的使用，而不会引入在晶体管301、302中具有热失控的风险。在本文中，热失控被理解为电流流动和功率耗散的不受控增大，从而导致破坏性结果。
应当注意的是，可以采用可偏离图2和图3中所描绘的实现方式的替代方式来实现偏置电路103和输出电路105。

Claims (15)

1.一种用于流量计的收发器电路，该收发器电路包括用于有待经由一个或多个相关联的换能器来发射和/或接收的信号的公共信号路径，该收发器电路包括发生器电路、信号处理电路以及有源电路，其中：
-该发生器电路可操作地连接至该有源电路的输入端子，
-该信号处理电路可操作地连接至该有源电路的输出端子，
-该有源电路包括第一和第二晶体管，该第一和第二晶体管经由其各自的发射极端子可操作地连接，由此形成组合输入/输出端子，所述组合输入/输出端子可操作地可连接至一个或多个相关联的换能器，该有源电路被适配用于充当用于待发射的信号的缓冲器，并且被适配用于充当用于所接收信号的放大器，并且
-该有源电路的该输入端子可操作地连接至该第一和第二晶体管的基极端子，并且该有源电路的该输出端子可操作地连接至该第一和第二晶体管的集电极端子。
2.根据权利要求1所述的收发器电路，其中，该第一和第二晶体管的所述发射极是直接连接的。
3.根据权利要求1或2所述的收发器电路，其中，该第一和第二晶体管通过被适配用于设置用于该第一和第二晶体管的偏置点的电路以AB类模式操作。
4.根据权利要求1或2所述的收发器电路，进一步包括用于向和/或从一个或多个相关联的接收换能器和/或发射换能器提供信号的一个或多个可控开关/多路复用器。
5.根据权利要求1或2所述的收发器电路，其中，该发生器电路具有基本上恒定的输出阻抗Z输出。
6.根据权利要求1或2所述的收发器电路，其中，该发生器电路被适配用于生成周期性信号。
7.根据权利要求1或2所述的收发器电路，进一步包括从该有源电路的输出端子到该有源电路的该组合输入/输出端子的负信号反馈。
8.根据权利要求7所述的收发器电路，其中，负信号反馈的量是可变的。
9.根据权利要求8所述的收发器电路，其中，负信号反馈的量是即时可变的。
10.一种流量计，包括根据权利要求1至9中任一项所述的收发器电路。
11.根据权利要求10所述的流量计，进一步包括多个换能器，该多个换能器可连接至该有源电路的该组合输入/输出端子。
12.根据权利要求11所述的流量计，其中，该多个换能器中的至少一定数量的换能器被适配用于既发射信号又接收信号。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的流量计，进一步包括用于对来自该有源电路的输出端子的信号进行放大的放大器。
14.根据权利要求13所述的流量计，其中，该放大器的增益是可变的。
15.根据权利要求14所述的流量计，其中，该增益是即时可变的。
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