超声波流量计高分辨率A/D转换电路设计与实现

　　0 引言

　　根据美国 Flow Research 机构 2005 年调查报告[1]，超声流量计的年销售额超过 30 亿美元，占所有类型流量计销售总额的 10%。超声波流量计具有精确度高、测量无阻碍、方便安装以及低成本等优点，正在快速发展成为流量测量领域的首选。近几年来，随着硬件和数字信号处理技术的改进，流量的测量精度得到不断提高，高精度成为新型超声波流量计研究的重点[2]。

　　超声波流量计时差测量法在工业界应用已有 30 年历史，具有精度高和可靠性好的特点，它是根据超声波信号顺流传播时间和逆流传播时间之差来计算流速，进而求得流量[3]　。由于超声波信号的传播速度很快( 在液体中为1 500 m/s 左右) ，传播的时间非常短，对超声波信号的数据采集系统提出很大的要求。为了达到更高的测量精度，关键在于达到 ns 级以上的时间差测量，在低流速液体测量时要求则更高，所以采用高分辨率 A/D 转换达到高分辨率的实时数据采集变得至关重要。

　　在 12 位高精度，数 MHz 以上采样率的 ADC 中，流水线结构是目前在各关键指标较好的[4 -6]，因此采用 12 位流水线结构 A/D 转换的 ADC12DL040 来实现高精度超声波流量计 ns 级时间差的信号采集，其分辨电压的最小值为 1/4 096，并给出了ADC12DL040 的引脚电路和流水线结构图原理，采样过程流程图以及 A/D 转换 C 程序关键代码，设计并实现了 400 kHz 输入信号的 8 MHz 的高速高分辨率采样。

　　1 时差法超声波流量计原理与关键问题

　　1. 1 时差法超声波流量计测量原理

　　时差法超声波流量计是利用超声波在流体介质中传播时顺流和逆流方向传播的时间差来实现对流体的流速和流量信息的测量。图 1 是时差法超声波流量计的测量原理图

　　因而得到超声波流量计时差测量法的理论基础。其中，不同温度条件下超声波在液体中的传播速度 c 略有变化[7]。

　　1. 2 时差法超声波流量计的关键问题

　　时差法超声波流量计顺流逆流时间差是否精确测量直接影响超声波流量计的计量精度，因此对高精度的超声波流量计，选用适合的数据采集系统对顺逆流时间差精确是十分必要　　的[8]。A/D 芯片是数据采集系统的核心器件，数据采集系统性能在很大程度上取决于 A/D 芯片的选取。因此，高精度时差法超声波流量计的最大难点在于如何构建最适合的高分辨率A/D数据采样系统。例如，超声波在洁净水中的传播速度约为1 450 m / s，在管径 D = 300 mm、流体流速 v = 1. 33 m / s 的条件下，顺逆流时间差约为 1 μs，要保证测量达到 0. 5% 的测量精度，要求测量的时间差的分辨率要达到 1 ～ 2 μs 才能实现，顺、逆流传播时间的测量分辨率也应该在 ns，乃至 ps 级。ADC 的高分辨率从以下方面考虑: