CN108225447A - 一种高精度超声波气体流量的测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了包括第一换能器、第二换能器、模拟开关、TDC芯片、电荷放大电路和MCU，所述模拟开关与第一换能器、第二换能器电性连接，所述TDC芯片与模拟开关、电荷放大电路、MCU电性连接，所述电荷放大电路与第一换能器、第二换能器电性连接；所述TDC芯片连接高速时钟校准电路；本发明提供了一种成本节约、结构简单、精度高的一种高精度超声波气体流量的测量电路。

Description

一种高精度超声波气体流量的测量电路

技术领域

本发明涉及超声波气体流量的测量电路领域，更具体的说，它涉及一种高精度超声波气体流量的测量电路。

背景技术

在超声波燃气表中，理想情况中超声波换能器在发送和接收的时间差是稳定的值。然而，换能器在空气中传播不可避免会损失能量且产生噪声，因而会产生以下问题，即，回波信号弱，接收端的电路会有收不到信号，噪声则会使回波的幅值和相位发生抖动，进而增大了流量测量的误差。因此急需一种成本节约，精确度高的测量电路。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供了一种成本节约、结构简单、精度高的一种高精度超声波气体流量的测量电路。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种高精度超声波气体流量的测量电路，包括第一换能器、第二换能器、模拟开关、TDC芯片、电荷放大电路和MCU，所述模拟开关与第一换能器、第二换能器电性连接，所述TDC芯片与模拟开关、电荷放大电路、MCU电性连接，所述电荷放大电路与第一换能器、第二换能器电性连接；所述TDC芯片连接高速时钟校准电路，所述高速时钟校准电路包括晶振、第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容，所述晶振的一端与TDC芯片的某一引脚、第一电阻的一端、第一电容的一端电性连接，所述晶振的另一端与第一电阻的另一端、第二电阻的一端、第二电容的一端电性连接，所述第二电容的另一端、第一电容的另一端接地，所述第二电阻的一端连接TDC芯片的另一引脚电性连接；所述电荷放大电路包括第一放大器、第二放大器，所述第一放大器一端作为输入，一端与D/A转换器连接，另一端与TDC芯片连接，所述第二放大器一端作为输入、一端接地，另一端与MCU的定时器连接；

所述模拟开关，用于控制第一换能器和第二换能器发送和接收，并通过所述模拟开关先控制第一换能器发送，第二换能器接收，再控制第二换能器发送，第一换能器接收，用于测量所述超声波正向和反向的时间差来达到气体流量测量的目的；

所述接收电路中增加电荷放大电路，以增强接收电路的回波信号及灵敏度；

所述电路中的TDC芯片用于测量流路中顺流和逆流的超声波的飞行时间；

所述电路中的MCU用于控制TDC芯片及整个电路的功能实现。

进一步的，所述TDC芯片通过4线制引脚的SPI与MCU连接通讯。

进一步的，所述高速时钟校准电路的晶振采用4MHz、第一电阻采用560kΩ、第二电阻220kΩ、第一电容、第二电容都采用15p，所述晶振的一端与TDC芯片的第一引脚电性连接，所述第二电阻的一端连接TDC芯片的第二引脚电性连接。

进一步的，所述高速时钟校准电路的晶振采用32.768kHz、第一电阻采用10MΩ、第二电阻100kΩ、第一电容、第二电容都采用15p，所述晶振的一端与TDC芯片的第十六引脚电性连接，所述第二电阻的一端连接TDC芯片的第十五引脚电性连接。

本发明相比现有技术优点在于：本发明结构设计简单、合理，制作方便，实用性强，生产成本相对较低，极易推广使用。增加电荷放大电路，以增强接收电路的回波信号及灵敏度，采用TDC芯片进而降低制作成本，且不失使用精度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的TDC芯片与校准电路图；

图3为本发明的TDC芯片与MCU连接电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1至图3所示，一种高精度超声波气体流量的测量电路，包括第一换能器、第二换能器、模拟开关、TDC芯片、电荷放大电路和MCU，所述模拟开关与第一换能器、第二换能器电性连接，所述TDC芯片与模拟开关、电荷放大电路、MCU电性连接，所述电荷放大电路与第一换能器、第二换能器电性连接；所述TDC芯片连接高速时钟校准电路，所述高速时钟校准电路包括晶振、第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容，所述晶振的一端与TDC芯片的某一引脚、第一电阻的一端、第一电容的一端电性连接，所述晶振的另一端与第一电阻的另一端、第二电阻的一端、第二电容的一端电性连接，所述第二电容的另一端、第一电容的另一端接地，所述第二电阻的一端连接TDC芯片的另一引脚电性连接。其中上述高速时钟校准电路一共包括两个这样的电路结构。一个晶振采用4MHz、第一电阻采用560kΩ、第二电阻220kΩ、第一电容、第二电容都采用15p，所述晶振的一端与TDC芯片的第一引脚电性连接，所述第二电阻的一端连接TDC芯片的第二引脚电性连接。另一个晶振采用32.768kHz、第一电阻采用10MΩ、第二电阻100kΩ、第一电容、第二电容都采用15p，所述晶振的一端与TDC芯片的第十六引脚电性连接，所述第二电阻的一端连接TDC芯片的第十五引脚电性连接。采用此高速时钟校准电路，能有效的提高检测精度，以4MHz的晶振作为校准，以32.768kHz的晶振作为基准时钟，将大大提高在时间精度上的精准性，为高精度测量提供可靠的数据。

所述电荷放大电路包括第一放大器、第二放大器，所述第一放大器一端作为输入，一端与D/A转换器连接，另一端与TDC芯片连接，所述第二放大器一端作为输入、一端接地，另一端与MCU的定时器连接。具体如图3所示，Vina和Vinb接MCU内部的比较器，设定两个较高的电压值Va和Vb，从而来确定两次收发过程波形的一致性。输入信号通过Vinc作过零比较，确定过零点时间。输入信号通过Vind与设定的比较阈值作比较，确定过比较阈值时间，从而达到时间的精确测量。

所述TDC芯片通过4线制引脚的SPI与MCU连接通讯。

所述模拟开关，用于控制第一换能器和第二换能器发送和接收，并通过所述模拟开关先控制第一换能器发送，第二换能器接收，再控制第二换能器发送，第一换能器接收，用于测量所述超声波正向和反向的时间差来达到气体流量测量的目的；

所述接收电路中增加电荷放大电路，以增强接收电路的回波信号及灵敏度；

所述电路中的TDC芯片用于测量流路中顺流和逆流的超声波的飞行时间；

所述电路中的MCU用于控制TDC芯片及整个电路的功能实现。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。

Claims (4)

1.一种高精度超声波气体流量的测量电路，其特征在于，包括第一换能器、第二换能器、模拟开关、TDC芯片、电荷放大电路和MCU，所述模拟开关与第一换能器、第二换能器电性连接，所述TDC芯片与模拟开关、电荷放大电路、MCU电性连接，所述电荷放大电路与第一换能器、第二换能器电性连接；所述TDC芯片连接高速时钟校准电路，所述高速时钟校准电路包括晶振、第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容，所述晶振的一端与TDC芯片的某一引脚、第一电阻的一端、第一电容的一端电性连接，所述晶振的另一端与第一电阻的另一端、第二电阻的一端、第二电容的一端电性连接，所述第二电容的另一端、第一电容的另一端接地，所述第二电阻的一端连接TDC芯片的另一引脚电性连接；所述电荷放大电路包括第一放大器、第二放大器，所述第一放大器一端作为输入，一端与D/A转换器连接，另一端与TDC芯片连接，所述第二放大器一端作为输入、一端接地，另一端与MCU的定时器连接；

所述模拟开关，用于控制第一换能器和第二换能器发送和接收，并通过所述模拟开关先控制第一换能器发送，第二换能器接收，再控制第二换能器发送，第一换能器接收，用于测量所述超声波正向和反向的时间差来达到气体流量测量的目的；

所述接收电路中增加电荷放大电路，以增强接收电路的回波信号及灵敏度；

所述电路中的TDC芯片用于测量流路中顺流和逆流的超声波的飞行时间；

所述电路中的MCU用于控制TDC芯片及整个电路的功能实现。

2.根据权利要求1所述的一种高精度超声波气体流量的测量电路，其特征在于：所述TDC芯片通过4线制引脚的SPI与MCU连接通讯。

3.根据权利要求1所述的一种高精度超声波气体流量的测量电路，其特征在于：所述高速时钟校准电路的晶振采用4MHz、第一电阻采用560kΩ、第二电阻220kΩ、第一电容、第二电容都采用15p，所述晶振的一端与TDC芯片的第一引脚电性连接，所述第二电阻的一端连接TDC芯片的第二引脚电性连接。

4.根据权利要求1所述的一种高精度超声波气体流量的测量电路，其特征在于：所述高速时钟校准电路的晶振采用32.768kHz、第一电阻采用10MΩ、第二电阻100kΩ、第一电容、第二电容都采用15p，所述晶振的一端与TDC芯片的第十六引脚电性连接，所述第二电阻的一端连接TDC芯片的第十五引脚电性连接。