CN107430017B - 用于流量计的可逆收发器电路 - Google Patents

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待发射和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、信号处理电路以及跨阻放大器，其中，该跨阻放大器包括可操作地可连接至一个或多个相关联换能器的组合输入/输出端子，并且其中，该跨阻放大器在输入端子与该组合输入/输出端子之间提供单独的发射阻抗ZTx并且在该组合输入/输出端子与输出端子之间提供单独的接收阻抗ZRx。

Description

用于流量计的可逆收发器电路

技术领域

本发明涉及一种用于流量计的收发器电路。具体地，本发明涉及一种用于超声波流量计的可逆收发器电路。

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DE 10 048 959(公开了使用双输入运算放大器的电路拓扑)中提出了一种方法，其中，正极输入连接至发射信号发生器，并且负极输入经由串联阻抗Zt和开关安排连接至换能器。此外，负极输入经由反馈阻抗Zf充当来自放大器输出的反馈点。

DE 10 048 959所提出的电路拓扑的一个显著缺点是在进行发射和接收时以不同的方式驱动放大器输入。在进行发射时，在较大共模电压范围(对应于信号发生器的峰对峰值Vtx)上驱动输入电路系统。在进行接收时，通过静噪发射信号发生器将输入保持在恒定操作点中。驱动输入电路系统的不同方式影响了所提出的电路的整体可逆性。

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)的可逆收发器电路。

可以认为本发明实施例的另一个目标为提供一种使用简单电路拓扑的收发器电路。

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待发射和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、信号处理电路以及跨阻放大器，其中：

-该发生器电路可操作地连接至该跨阻放大器的输入端子，

-该信号处理电路可操作地连接至该跨阻放大器的输出端子，并且

-该跨阻放大器进一步包括可操作地可连接至一个或多个相关联换能器的组合输入/输出端子，并且其中，该跨阻放大器在该输入端子与该组合输入/输出端子之间提供单独的发射阻抗ZTx并且在该组合输入/输出端子与该输出端子之间提供单独的接收阻抗ZRx。

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，基本上避免了上行与下行(即，发射与接收)信号之间的延迟差。同时，可以使用可能仅包括分立部件的简单电路拓扑来实现收发器电路。

根据本发明的收发器电路可以作为前端收发器电路来操作。术语前端(frontend)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。

一般地，跨阻放大器是电流电压转换器。可以采用各种方式来实现跨阻放大器，如通过使用处于反相配置的运算放大器。在这种配置下，跨阻放大器形成反相放大器。

优选地，输入端子和输出端子分别是专用的输入端子和输出端子。术语专用的(dedicated)在这里被理解为仅被用作输入端子或者输出端子的端子。

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。

该收发器电路可以进一步包括：反馈电路，该反馈电路可操作地连接在该组合输入/输出端子与该发生器电路之间。此反馈电路被适配用于如通过带通滤波来对由该发生器电路提供的信号进行成形。

该收发器电路可进一步包括该组合输入/输出端子与参考电势(如，接地)之间的附加的固定或可变阻抗Zg。可变阻抗Zg的目的是能够补偿由对接收阻抗ZRx进行的改变而引起的环路增益的改变。

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一个或多个可控开关/多路复用器，该一个或多个可控开关/多路复用器可操作地连接至该组合输入/输出端子。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。

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。

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跨阻放大器的组合输入/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)。

放大器可以可操作地连接至跨阻放大器的输出端子。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示出了跨阻放大器的原理，

图3示出了发生器电路的三个实施例，以及

图4示出了本发明的实施例。

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的主要部件为跨阻放大器101，该跨阻放大器具有输入端子104、输出端子106以及组合输入/输出端子105。

在进行发射期间，跨阻放大器101由信号发生器电路102驱动。收发器电路100被如下操作：

在跨阻放大器101的组合输入/输出端子105处生成低阻抗发射信号。组合输入/输出端子105通过换能器端接阻抗109和开关/多路复用器110来驱动换能器111、112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102不发射，并且通过开关/多路复用器110和换能器端接阻抗109向跨阻放大器101的组合输入/输出端子105提供来自这两个换能器111、112之一的信号。

来自跨阻放大器106的输出信号可以在经由信号处理电路103提供最终输出信号113之前在放大器108(虚线)中被进一步放大。放大器108中的这种进一步放大可以是可变放大或固定放大，并且其可以取决于是发射信号还是接收信号。应当注意的是，放大器108可以形成信号处理电路103的一部分。

如图1中由虚线所指示的，收发器电路可以可选地包括从跨阻放大器101的组合输入/输出端子到信号发生器电路102的负反馈107。负反馈促进了可以提供包括例如带通滤波的复杂反馈控制。可以采用各种方式来实现该负反馈，如通过使用无源部件和有源部件两者，像放大器、晶体管、变压器等。

仅示意性地示出了换能器111和112。在实践中，换能器111、112可以包括各种串联阻抗和并联阻抗。换能器111、112能够发射和/或接收信号，如超声波信号。开关/多路复用器110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示出了跨阻放大器200，该跨阻放大器具有输入201、输出202以及组合输入/输出203。该跨阻放大器包括反相放大器204、在输入端子与组合输入/输出端子之间的单独发射阻抗206以及在组合输入/输出端子与输出端子之间的单独接收阻抗205。

图3示出了信号发生器电路的三种可能的实现方式，该信号发生器电路被适配用于以脉冲串生成周期性信号(诸如具有适当数量周期的正弦信号或方波信号)。如图3a中所示，信号发生器电路可以包括在到达输出端子303之前耦合至发射阻抗302的方波发生器301。

可替代地，信号发生器电路可以包括如图3b中所示的一阶带通滤波器以便从来自信号发生器304的方波信号中成形和移除DC内容使用电阻器305和308以及电容器306和307来实现带通滤波器。在输出端子309处提供输出信号。

图3c中示出了甚至更复杂的信号发生器电路，其中，向输入端子316提供来自跨阻放大器的组合输入/输出端子的反馈信号。此反馈信号促进了所生成的方波信号310的二阶带通滤波变得可用。电阻器311和312以及电容器313和314结合其他电路部件促进了包括跨阻放大器、二阶带通滤波以及对来自信号发生器304的方波信号进行成形。

应当注意的是，可以采用可偏离图3中描绘的实现方式的替代方式来实现信号发生器电路。

现在参照图4，描绘了本发明的收发器电路400的另一实施例。在图4中，信号发生器电路包括信号发生器401和输出阻抗402。跨阻放大器包括反相放大器403、在输入端子与组合输入/输出端子之间的固定发射阻抗404以及在组合输入/输出端子与输出端子之间的可变接收阻抗406。此可变接收阻抗406的目的是使得接收增益可变。然而，就可逆性而言，这种可变接收增益将仅在另一个可变阻抗405被插在组合输入/输出端子与参考电势(如，地)之间的情况下适当地运行。可变阻抗405的功能是补偿由对接收阻抗406进行的改变而引起的环路增益的改变。

最后，两个换能器409、410通过开关/多路复用器408和换能器端接阻抗407耦合至跨阻放大器的组合输入/输出端子。

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待发射和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、信号处理电路以及跨阻放大器，其中：

-该发生器电路可操作地连接至该跨阻放大器的输入端子，

-该信号处理电路可操作地连接至该跨阻放大器的输出端子，并且

-该跨阻放大器进一步包括可操作地可连接至一个或多个相关联换能器的组合输入/输出端子，并且其中，该跨阻放大器在该输入端子与该组合输入/输出端子之间提供单独的发射阻抗ZTx并且在该组合输入/输出端子与该输出端子之间提供单独的接收阻抗ZRx。

2.根据权利要求1所述的收发器电路，其中，该跨阻放大器包括反相放大器。

3.根据权利要求1所述的收发器电路，其中，该输入端子和该输出端子分别是专用的输入端子和输出端子。

4.根据权利要求1所述的收发器电路，其中，该发生器电路具有输出阻抗Z_输出，并且其中，ZTx/Z_输出的比值基本上恒定。

5.根据权利要求1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。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的收发器电路，进一步包括：反馈电路，该反馈电路可操作地连接在该组合输入/输出端子与该发生器电路之间。

7.根据权利要求6所述的收发器电路，其中，该反馈电路被适配用于如通过带通滤波来对由该发生器电路提供的该信号进行成形。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的收发器电路，进一步包括该组合输入/输出端子与参考电势之间的附加的固定或可变阻抗Zg。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的收发器电路，进一步包括用于向和/或从相关联接收换能器和/或发射换能器提供信号的一个或多个可控开关/多路复用器，该一个或多个可控开关/多路复用器可操作地连接至该组合输入/输出端子。

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跨阻放大器的该组合输入/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，进一步包括可操作地连接至该跨阻放大器的该输出端子的放大器。

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，该放大器的增益是即时可变的。

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