CN208707602U - 一种应用于超声波燃气表的连续可变增益放大电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于超声波燃气表的连续可变增益放大电路，包括收发切换及激发一体化电路、回波模拟放大电路与高频峰值信号保持电路，收发切换及激发一体化电路包括第一换能器、第二换能器与开关组，第一换能器或第二换能器所接收的超声波信号经由开关组得到差分信号并传递给回波模拟放大电路，回波模拟放大电路包括若干个运放构成的运算放大器组，差分信号通过回波模拟放大电路输出超声波信号并传递给高频峰值信号保持电路，高频峰值信号保持电路包括功率检波器与第七运算放大器，超声波信号通过功率检波器整形为低频的包络信号，低频的包络信号通过第七运算放大器保持信号供采样。减少气体介质性质变化对所接收回波幅值的影响。

Description

一种应用于超声波燃气表的连续可变增益放大电路

技术领域

本实用新型涉及一种超声波燃气表内的检测电路，尤其是涉及一种应用于超声波燃气表的连续可变增益放大电路，是超声波流量检测的前端电路设计。

背景技术

超声波流量检测方式目前已有广泛的应用，但目前国内并没有成熟的超声波燃气表推出。其难点主要在于表内超声波的传播介质为气体，在不同温度以及压力下其体积、密度会发生变化，其次我国各地的燃气组分有所差异。

根据超声波燃气表检定规程，其检定所用气体介质为空气。而常温常压下同一换能器对在固定电压激励下所接收到的回波，受气体介质性质变化的影响有着较大的差异。主要表现为超声波传播速度的变化导致的飞行时间变化以及声波传播过程中衰减率的变化导致的回波幅值的变化。

这就要求超声波燃气表在不同气体介质（如空气、天然气、煤气等）中，在不同的工况条件下（如变化的温度、压力等），均能准确计量。因此，本实用新型的设计人为了实现这一目标，在超声波燃气表中采用连续可变增益模拟前端最大限度地减少气体介质性质变化对所接收回波幅值的影响。现提出一种基于连续可变增益放大电路，对信号进行处理。再结合德国ACAM公司的TDC-GP22飞行时间测量芯片的首波检测模式功能，通过外部增加回波幅值测量电路实现了对超声波换能器回波信号幅值的闭环控制，有效解决了超声波换能器信号回波较弱情况下首波与噪声无法区别导致的后端比较器信号误触发的问题。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种应用于超声波燃气表的连续可变增益放大电路，能够最大限度地减少气体介质性质变化对所接收回波幅值的影响，为后续的TDC-GP22飞行时间测量芯片提供AD采样的信号。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种应用于超声波燃气表的连续可变增益放大电路，包括收发切换及激发一体化电路、回波模拟放大电路与高频峰值信号保持电路，所述的收发切换及激发一体化电路包括第一换能器、第二换能器与开关组，第一换能器或第二换能器所接收的超声波信号经由开关组得到差分信号并传递给回波模拟放大电路，所述的回波模拟放大电路包括若干个运放构成的运算放大器组，差分信号通过回波模拟放大电路输出超声波信号并传递给高频峰值信号保持电路，所述的高频峰值信号保持电路包括型号为LTC5507的功率检波器与第七运算放大器，超声波信号通过功率检波器整形为低频的包络信号，低频的包络信号通过第七运算放大器保持信号供采样。

本实用新型进一步的优选方案：所述的开关组均采用双联开关，开关组包括第一开关、第二开关、第五开关、第六开关、第七开关与第八开关，所述的第一换能器的两端分别连接第一开关的公共端、第二开关的公共端，所述的第一开关的支点一连接到第五开关的支点一，第五开关的公共端输出P路信号，所述的第一开关的支点二通过第七开关可选择连接电源或地线，所述的第二开关的支点一连接到第六开关的支点一，第六开关的公共端输出N路信号，所述的第二开关的支点二通过第八开关可选择连接电源或地线，所述的P路信号与N路信号构成差分信号传递给回波模拟放大电路。

本实用新型进一步的优选方案：所述的开关组还包括第三开关、第四开关、第九开关与第十开关，所述的第二换能器的两端分别连接第三开关的公共端、第四开关的公共端，所述的第三开关的支点二连接到第五开关的支点二，所述的第三开关的支点一通过第九开关可选择连接电源或地线，所述的第四开关的支点二连接到第六开关的支点二，所述的第四开关的支点一通过第十开关可选择连接电源或地线。

本实用新型进一步的优选方案：所述的运算放大器组包括第一运放、第三运放与第五运放，所述的P路信号输入到第一运放的反向输入端，第一运放的输出端连接第三运放的同相输入端，所述的第一运放的反向输入端与输出端之间设置有并联的第一电阻、第一电容，所述的第三运放的输出端连接到第五运放的反向输入端，第三运放的反向输入端与输出端之间连接数字电阻，所述的第五运放的输出端输出超声波信号。

本实用新型进一步的优选方案：所述的运算放大器组还包括第二运放与第四运放，所述的N路信号输入到第二运放的反向输入端，第二运放的输出端连接第四运放的同相输入端，所述的第二运放的反向输入端与输出端之间设置有并联的第二电阻、第二电容，所述的第四运放的输出端连接到第五运放的同相输入端，第四运放的反向输入端与输出端之间连接数字电阻，所述的第五运放的同相输入端通过第十电阻连接有1.5V电压源，所述的第一运放的同相输入端、第二运放的同相输入端通过导线连接到第十电阻、1.5V电压源之间。

本实用新型进一步的优选方案：所述的超声波信号通过第六电容连接到功率检波器的第三管脚，所述的功率检波器的第六管脚连接到第七运算放大器的同相输入端，所述的第七运算放大器的输出端连接到第一二极管的正极端，所述的第一二极管的负极端通过第七电容后接地，第七运送放大器的反向输入端连接第一二极管的负极端。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于使用时差法的测量原理，利用声波在流动气体中顺流传播和逆流传播时间的倒数差与流体流速成正比来测量流体流量。本实用新型对TDC-GP22芯片所要采集的信号进行了前端处理电路设计，主要实现超声波信号的激励、回波信号的连续程控放大及幅值检测以及超声波信号的飞行时间检测、超声波换能器的收发切换等功能。根据时差法的测量原理，设置第一换能器和第二换能器在发射和接收状态相互切换，完成正、反向飞行时间的测量。为了防止后端TDC-GP22芯片内部比较器的误触发，通过提高换能器激发电压或增加后级运放的放大倍数来提高信噪比。但提高激发电压会进一步增加超声波换能器的发射功率并增加系统功耗，故本设计主要采用差分激发来提高激发效率，电路结构与需要电感的高压激发电路相比有较大幅度简化，工作电流接近低压单端激发，完全采用同一型号低压模拟开关实现。差分信号通过回波模拟放大电路输出超声波信号并传递给高频峰值信号保持电路，超声波信号通过功率检波器整形为低频的包络信号，低频的包络信号通过第七运算放大器保持信号供采样。

附图说明

图1为收发切换及激发一体化电路；

图2为回波模拟放大电路；

图3为高频峰值信号保持电路。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1至图3所示：一种应用于超声波燃气表的连续可变增益放大电路，包括收发切换及激发一体化电路、回波模拟放大电路与高频峰值信号保持电路，收发切换及激发一体化电路包括第一换能器Y1、第二换能器Y2与开关组，第一换能器Y1或第二换能器Y2所接收的初始信号经由开关组得到差分信号并传递给回波模拟放大电路，回波模拟放大电路包括若干个运放构成的运算放大器组，差分信号通过回波模拟放大电路输出超声波信号UltrasonicWave并传递给高频峰值信号保持电路，高频峰值信号保持电路包括型号为LTC5507的功率检波器U6与第七运算放大器U7，超声波信号UltrasonicWave通过功率检波器U6整形为低频的包络信号，低频的包络信号通过第七运算放大器U7保持信号供采样。本实用新型的第一换能器Y1、第二换能器Y2均采用谐振频率500KHz的收发一体式气体超声波换能器。

开关组均采用双联开关，开关组包括第一开关S1、第二开关S2、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7与第八开关S8，第一换能器Y1的两端分别连接第一开关S1的公共端、第二开关S2的公共端，第一开关S1的支点一连接到第五开关S5的支点一，第五开关S5的公共端输出P路信号TransducerP，第一开关S1的支点二通过第七开关S7可选择连接电源VCC或地线，第二开关S2的支点一连接到第六开关S6的支点一，第六开关S6的公共端输出N路信号TransducerN，第二开关S2的支点二通过第八开关S8可选择连接电源VCC或地线，P路信号TransducerP与N路信号TransducerN构成差分信号传递给回波模拟放大电路。

开关组还包括第三开关S3、第四开关S4、第九开关S9与第十开关S10，第二换能器Y2的两端分别连接第三开关S3的公共端、第四开关S4的公共端，第三开关S3的支点二连接到第五开关S5的支点二，第三开关S3的支点一通过第九开关S9可选择连接电源VCC或地线，第四开关S4的支点二连接到第六开关S6的支点二，第四开关S4的支点一通过第十开关S10可选择连接电源VCC或地线。

运算放大器组包括第一运放U1、第三运放U3与第五运放U5，P路信号TransducerP输入到第一运放U1的反向输入端，第一运放U1的输出端连接第三运放U3的同相输入端，第一运放U1的反向输入端与输出端之间设置有并联的第一电阻R1、第一电容C1，第三运放U3的输出端连接到第五运放U5的反向输入端，第三运放U3的反向输入端与输出端之间连接数字电阻U6，第五运放U5的输出端输出超声波信号UltrasonicWave。

运算放大器组还包括第二运放U2与第四运放U4，N路信号TransducerN输入到第二运放U2的反向输入端，第二运放U2的输出端连接第四运放U4的同相输入端，第二运放U2的反向输入端与输出端之间设置有并联的第二电阻R2、第二电容C2，第四运放U4的输出端连接到第五运放U5的同相输入端，第四运放U4的反向输入端与输出端之间连接数字电阻U6，第五运放U5的同相输入端通过第十电阻R10连接有1.5V电压源，第一运放U1的同相输入端、第二运放U2的同相输入端通过导线连接到第十电阻R10、1.5V电压源之间。

超声波信号UltrasonicWave通过第六电容C6连接到功率检波器U6的第三管脚，功率检波器U6的第六管脚连接到第七运算放大器U7的同相输入端，第七运算放大器U7的输出端连接到第一二极管D1的正极端，第一二极管D1的负极端通过第七电容C7后接地，第七运送放大器U7的反向输入端连接第一二极管D1的负极端。

现结合附图对本实用新型进一步说明：第一换能器Y1与第二换能器Y2为测量所用500KHz换能器对，开关组S1~10采用SN74LVC1G3157DCKR模拟开关。其中，S1~6由TDC-GP22的EN_START引脚输出的方向控制信号所控制，需将TDC-GP22芯片的1号寄存器中SEL_TSTO2对应位修改为5，此时管脚输出低电平”0”测量反向飞行时间，开关状态与图1所示一致，第一换能器Y1处于接收状态，第二换能器Y2处于发射状态，S7~10分别由TDC-GP22的FIRE_UP，FIRE_DOWN引脚所控制，在图示开关状态下FIRE_DOWN引脚的控制第二换能器Y2两端产生幅值同，电平信号相反的差分方波激励信号。第一换能器Y1所接收的超声波信号经由第一开关S1、第二开关S2、第五开关S5、第六开关S6到达TransducerP与TransducerN差分信号网络传递给回波模拟放大电路。启动正向飞行时间测量时，EN_START引脚输出高电平”1”，S1~6的开关状态与图1所示相反，第一换能器Y1处于发射状态，第二换能器Y2处于接收状态，第二换能器Y2所接收的超声波信号经由第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6到达TransducerP与TransducerN差分信号网络。

与换能器单端接地的常规收发电路相比，本实用新型采用差分信号可以有效抑制空间电磁辐射对所接收的超声波模拟量造成的共模干扰，从而省去后端带通滤波电路，简化了整体系统结构，提高了系统可靠性。

由于回波模拟放大电路是对超声波换能器原始接收信号的二次处理，其处理输出的信号质量在很大程度上决定了整表基表部分的数据精度。如图2所示，回波模拟放大电路主要由第一运放U1、第二运放U2所组成的前级转换器和由第三运放U3、第四运放U4、第五运放U5所组成的仪表放大器部分构成。本实用新型中的运算放大器组选用Microchip公司MCP6291运放。仪表放大器设计主要考虑增益的连续线性调节，通过连续可变数字电阻改变增益，以适应空气与燃气中声波衰减率的变化。选择连续可变数字电阻为MCP4252-502。

由于500KHz的频率较高，通过一般的峰值检波电路进行峰值检测会引入较大的幅值测量误差，无法作为增益控制的调节反馈依据，故而需引入高精度高频信号幅值测量电路——即本实用新型中采用的高频峰值信号保持电路。功率检波器LTC5507是一款应用于100kHz至1000MHz工作频率范围的RF功率检波器。利用一个片上肖特基二极管（即本实用新型中的第一二极管）和外部电容器（本实用新型中的第七电容）来对RF输入电压进行峰值检波。

此处先使用功率检波器LTC5507将超声波信号整形为低频的包络信号，再使用后端的第七运算放大器搭建峰值保持电路确保后端的TDC-GP22有足够的时间进行AD采样。此处的第七运算放大器U7采用MCP6291。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用于超声波燃气表的连续可变增益放大电路，其特征在于包括收发切换及激发一体化电路、回波模拟放大电路与高频峰值信号保持电路，所述的收发切换及激发一体化电路包括第一换能器、第二换能器与开关组，第一换能器或第二换能器所接收的超声波信号经由开关组得到差分信号并传递给回波模拟放大电路，所述的回波模拟放大电路包括若干个运放构成的运算放大器组，差分信号通过回波模拟放大电路输出超声波信号并传递给高频峰值信号保持电路，所述的高频峰值信号保持电路包括型号为LTC5507的功率检波器与第七运算放大器，超声波信号通过功率检波器整形为低频的包络信号，低频的包络信号通过第七运算放大器保持信号供采样。

2.根据权利要求1所述的一种应用于超声波燃气表的连续可变增益放大电路，其特征在于所述的开关组均采用双联开关，开关组包括第一开关、第二开关、第五开关、第六开关、第七开关与第八开关，所述的第一换能器的两端分别连接第一开关的公共端、第二开关的公共端，所述的第一开关的支点一连接到第五开关的支点一，第五开关的公共端输出P路信号，所述的第一开关的支点二通过第七开关可选择连接电源或地线，所述的第二开关的支点一连接到第六开关的支点一，第六开关的公共端输出N路信号，所述的第二开关的支点二通过第八开关可选择连接电源或地线，所述的P路信号与N路信号构成差分信号传递给回波模拟放大电路。

3.根据权利要求2所述的一种应用于超声波燃气表的连续可变增益放大电路，其特征在于所述的开关组还包括第三开关、第四开关、第九开关与第十开关，所述的第二换能器的两端分别连接第三开关的公共端、第四开关的公共端，所述的第三开关的支点二连接到第五开关的支点二，所述的第三开关的支点一通过第九开关可选择连接电源或地线，所述的第四开关的支点二连接到第六开关的支点二，所述的第四开关的支点一通过第十开关可选择连接电源或地线。

4.根据权利要求2所述的一种应用于超声波燃气表的连续可变增益放大电路，其特征在于所述的运算放大器组包括第一运放、第三运放与第五运放，所述的P路信号输入到第一运放的反向输入端，第一运放的输出端连接第三运放的同相输入端，所述的第一运放的反向输入端与输出端之间设置有并联的第一电阻、第一电容，所述的第三运放的输出端连接到第五运放的反向输入端，第三运放的反向输入端与输出端之间连接数字电阻，所述的第五运放的输出端输出超声波信号。

5.根据权利要求4所述的一种应用于超声波燃气表的连续可变增益放大电路，其特征在于所述的运算放大器组还包括第二运放与第四运放，所述的N路信号输入到第二运放的反向输入端，第二运放的输出端连接第四运放的同相输入端，所述的第二运放的反向输入端与输出端之间设置有并联的第二电阻、第二电容，所述的第四运放的输出端连接到第五运放的同相输入端，第四运放的反向输入端与输出端之间连接数字电阻，所述的第五运放的同相输入端通过第十电阻连接有1.5V电压源，所述的第一运放的同相输入端、第二运放的同相输入端通过导线连接到第十电阻、1.5V电压源之间。

6.根据权利要求1所述的一种应用于超声波燃气表的连续可变增益放大电路，其特征在于所述的超声波信号通过第六电容连接到功率检波器的第三管脚，所述的功率检波器的第六管脚连接到第七运算放大器的同相输入端，所述的第七运算放大器的输出端连接到第一二极管的正极端，所述的第一二极管的负极端通过第七电容后接地，第七运送放大器的反向输入端连接第一二极管的负极端。