CN201203444Y - 超声波流量计的高输入阻抗差动前置放大器电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种超声波流量计的高输入阻抗差动前置放大器电路。它包括输入信号端子和输出信号端子，还包括高压保护电路、CMRR调整电路、集成运算放大器组成的放大电路，超声探头输入信号通过输入信号端子到高压保护电路，高压保护电路直接或间接与CMRR调整电路连接，利用CMRR电位器调整前置放大器电路的电阻平衡性，以确保共模信号的高度衰减，利用放大器的正反馈特性以提高前置放大器的交流输入阻抗。本实用新型的有益效果是：可以从探头获得很高的输入电压信号，却从探头中吸取功率甚小，确保测量精度的提高。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种自动化仪表，特别涉及一种超声波流量计的高输入阻抗差动前置放大器电路。
背景技术
当前超声波流量计所使用的探头接口前置放大电路都使用简单的接口电路，无论该电路采用分立元件或集成运放，它们组成的电路的输入阻抗一般都不超过500kΩ，并且不调整CMRR。这种简单设计的缺陷主要有三点：一是超声探头上有超声发射信号和接收信号，其中的发射信号有数十伏特或数百伏特，必须用50k～300kΩ的保护电阻降压，才能保护前置放大器；这种保护电阻将与放大器的输入阻抗分压，在很大程度上衰减了超声探头输出的超声波接收信号。二是在前置放大器输入阻抗小于500kΩ时，又不在放大器的输入端调整CMRR，势必使一部分共模干扰信号转变为差模干扰信号，成为后面放大器的放大目标，为流量计引入很大的干扰误差，例如市电干扰误差。三是如果直流输入阻抗依交流输入阻抗被提高以后，将增加前置放大器的时漂、温漂的交流干扰幅度。
上述三点是当前超声波流量计产品中始终没有解决的问题，它们是超声波流量计的精度始终不高的主要原因之一。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种利用正反馈回路加大前置放大器电路的交流输入阻抗，另外又增加CMRR电位器以确保共模信号的高度衰减的超声波流量计的高输入阻抗差动前置放大器电路。
本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种超声波流量计的高输入阻抗差动前置放大器电路，包括输入信号端子Vi +、Vi -、输出信号端子Vo +、Vo -，其特征在于：还包括高压保护电路、CMRR调整电路、集成运算放大器组成的放大电路，其中所述的高压保护电路包括电阻R1、R11、二极管D1、D2，所述的CMRR调整电路包括电位器Ro、电阻R2、R12，所述的集成运算放大器组成的放大电路包括集成运放电路A1、A2、电阻R6、R16、R3、R4、R5、R13、R14、R15、电容C1、C2，所述的输入信号端子Vi +通过电阻R1与二极管D1、D2反向并联一端、电阻R2连接，电阻R2另一端与电阻R3一端、集成运放电路A1的同相输入端连接，电阻R3另一端与电阻R4、R5的一端连接，电阻R4另一端接地，电阻R5的另一端经电容C1与集成运放电路A1输出信号端Vo +连接，集成运放电路A1输出信号端子Vo +通过电阻R6与集成运放电路A1的反相输入端连接，输入信号端子Vi -通过电阻R11与二极管D1、D2反向并联另一端、电位器Ro连接，电位器Ro另一端通过电阻R12与集成运放电路A2的同相输入端、电阻R13连接，电阻R13另一端与电阻R14、R15的一端连接，电阻R14另一端接地，电阻R15的另一端经电容C2与集成运放电路A2输出信号端子VO -连接，集成运放电路A2输出信号端子Vo -通过电阻R16与集成运放电路A2的反相输入端连接。
本实用新型的有益效果是：1.利用正反馈回路加大前置放大器电路的交流输入阻抗，将之提高到10M～100MΩ范围内，以加大与保护电阻的分压比，于是放大器输入端可以从探头上获得90％以上的超声输入信号。2.在提高交流输入阻抗的同时，可以保证较低的直流输入阻抗。大约在100k～400kΩ范围之内，以减少直流漂移误差。3.增加CMRR电位器，确保共模信号的高度衰减。这种平衡电路设计将使CMRR之值增加到60dB以上。
总之，超声波流量计的高输入阻抗差动前置放大器电路，可以从探头获得很高的输入电压信号，却从探头中吸取功率甚小，确保测量精度的提高。
附图说明
图1为本实用新型应用前置放大器电路图并作为摘要附图。
图2为本实用新型前置放大器原理方框图。
具体实施方式
如图1、2所示：
1.高压保护电路：两只阻值在50k～100kΩ的电阻R1和R11，与保护二极管D1和D2组成串联回路形式的限幅电路，防止超声探头数十伏或数百伏的发射信号击穿运放A1、A2的输入回路。二极管D1、D2分别与A1和A2的输入端相联，使该输入端的最大电压信号被限制在±0.8V以内。
高压保护电路直接或间接与运放输入端相联。D1和D2取普通硅二极管。
2.CMRR(共模抑制比)调整电路：电位器Ro与电阻器R12、R2共同组成CMRR调整电路。电位器Ro直接或间接与运放A1、A2输入端相联。
直接相联时，调整RO可以改变由A1和A2组成的放大电路的总体阻抗的平衡性，导致整个前置放大器的CMRR达到60dB以上。
改变电位器Ro的阻值，可以改变各个直流电阻总体的对称平衡性。调整电路的三个元件中，电位器Ro取值范围在30k～100kΩ之间选取，且R2＝Ro，R12＝0.5×Ro。阻值选取的原则，应确保整体前置放大器的总的直流输入阻抗不超过400kΩ。
3.运放组成的放大电路
集成运放A1的正反馈回路中置入由电阻器R3、R4、R5和电容C1组成的T形网络，其中R3、R4和R5各有一端联在一起，它们的另一端中R4接地，R3接A1的同相输入端，R5通过C1接A1的输出端Vo +。集成运放A2的正反馈回路中置入由电阻器R13、R14、R15和电容C2组成的T形网络。其中R13、R14和R15各有一端联在一起，它们的另一端中R14接地，R13接A2的反相输入端，R15通过C2接A1A2的输出端Vo +。交流耦合电容C1和C2取值为0.01μ～0.1μF。
T形网络组成放大器直流输入阻抗Ri的一部分：
Ri＝2(R1+R2+R3+R4)≤500kΩ (1)
T形网络与其它元件组成放大器交流输入阻抗为：
ri＝2(R1+R2+2πf0·C1·R3·R4)≥10MΩ (2)
式中f0是超声探头的工作频率。ri之值应设计在10MΩ以上，甚至达到100MΩ以上。此值的设计视超声探头的输出阻抗r0确定。
T形网络中，R3＝R13，R4＝R14，(R3+R4)<200kΩ，R5＝R15＝2kΩ，C1＝C2，依式(2)取在0.1μ～0.01μ之内。
两个集成运放A1和A2的负反馈端各有负反馈电阻R6＝R16＝(R3+R4)。两个负反馈电阻可以保证与A1和A2同相端的直流平衡性。
4.差动电路设计
整体电路是一个差动输入、差动输出前置放大器。以A1和A2为代表的两套放大电路应保持它们的总体对称性，这种保证是由上下两套电子元件分别对应相同而实现的。电阻配对误差应在±0.5％范围之内，电容配对误差应该保证在±5％以内，运放A1和A2应该选用带宽增益积在5M～50MHz范围内的双运放，该范围由探头超声波的频率决定。
5.前置放大器的增益近于1，其输出端Vo +和Vo -将与后级放大器的输入端相联。输入端Vi +和Vi -将与超声波探头引线相联。
典型应用技术
依附图1、2的应用电路：
令探头工作频率f0＝100kHz。若设计电路的交流输入阻抗ri大于60MΩ，则令R1＝R11＝50kΩ，D1和D2使用普通硅二极管；令R0＝R2＝30kΩ，R12＝15kΩ。令R3＝R13＝75kΩ，R4＝R14＝75kΩ，R5＝R15＝2kΩ，C1＝C2＝0.1μF。
根据式(1)可以验算直流输入阻抗：
Ri＝2(R1+R2+R3+R4)＝460Kω
倘不满足Ri<500kΩ时，可以按比例同时减小R1、R2、R3和R4的阻值，直到满足时为止。
依据式(2)可以验算交流输入阻抗：
ri＝2(R1+R2+2πf0·C1·R3·R4)＝2(50k+30k+6.28×100k×75k×75k×0.1μ)≈70MΩ当ri不满足设计指标时，可以同时改变C1＝C2之值来实现。
可见该放大器直流输入阻抗约460kΩ，大大降低了放大电路的直流漂移特性。而交流输入阻抗可达70MΩ，可以从探头获得99％以上的超声电压信号。
双运放A1和A2选用型号为MAX4132。
共模抑制比(CMRR)的调整方法：
将附图1、2中两输入端Vi +和Vi -短路之后对地接入5～10V之内的一个50Hz交流正弦信号，以模拟市电干扰。使用示波器同时观察此正弦输入信号和放大电路的Vo +和Vo -之间的50Hz输出信号。反复调整电位器Ro可以使输出50Hz波形的幅度达到最小即可。
Claims (1)
1.一种超声波流量计的高输入阻抗差动前置放大器电路，包括输入信号端子(Vi +、Vi -)、输出信号端子(VO +、VO -)，其特征在于：还包括高压保护电路、CMRR调整电路、集成运算放大器组成的放大电路，其中所述的高压保护电路包括电阻(R1、R11)、二极管(D1、D2)，所述的CMRR调整电路包括电位器(RO)、电阻(R2、R12)，所述的集成运算放大器组成的放大电路包括集成运放电路(A1、A2)、电阻(R6、R16、R3、R4、R5、R13、R14、R15)、电容(C1、C2)，所述的输入信号端子(Vi +)通过电阻(R1)与二极管(D1、D2)反向并联一端、电阻(R2)连接，电阻(R2)另一端与电阻(R3)一端、集成运放电路(A1)的同相输入端连接，电阻(R3)另一端与电阻(R4、R5)的一端连接，电阻(R4)另一端接地，电阻(R5)的另一端经电容(C1)与集成运放电路(A1)输出信号端(VO +)连接，集成运放电路(A1)输出信号端子(VO +)通过电阻(R6)与集成运放电路(A1)的反相输入端连接，输入信号端子(Vi -)通过电阻(R11)与二极管(D1、D2)反向并联另一端、电位器(RO)连接，电位器(RO)另一端通过电阻(R12)与集成运放电路(A2)的同相输入端、电阻(R13)连接，电阻(R13)另一端与电阻(R14、R15)的一端连接，电阻(R14)另一端接地，电阻(R15)的另一端经电容(C2)与集成运放电路(A2)的输出信号端子(VO -)连接，集成运放电路(A2)输出信号端子(VO -)通过电阻(R16)与集成运放电路(A2)的反相输入端连接。
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| CN103888087A (zh) * | 2014-02-21 | 2014-06-25 | 国家电网公司 | 用于风电场风速监测的超声波换能器前置放大电路 |
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