一种应用于超声波流量计中的高可靠性的电路设计

　　1　超声信号的发射电路

　　超声信号的发射电路也称超声驱动电路,其作用是要产生一个具有一定输出功率、一定脉冲宽度和一定频率的超声电脉冲去激励发射换能器,由换能器转换为超声波向外发射。

　　图1中所选用的超声换能器是用于气体测量用的专用产品,其最佳工作频率为200kHz。所以由单片机发出的200kHz方波信号UIN,经过驱动、功率场效应管IRF、变压器升压,最后加到换能器JA两端,使换能器能够工作在它的共振频率上,从而向空间定向发射200kHz的超声波。

　　图1中的R3起负反馈的作用,使场效应管的漏极电压趋于稳定。C1与变压器B的初级线圈形成LC谐振,保证其实现最大功率的输出。但R3与C1又形成RC支路,所以R3不宜太大,否则会影响发射波形的质量。变压器的匝数比为6∶90,输出电压约200Vpp。

　　2　超声信号的接收电路

　　超声波接收电路的作用是将接收换能器输出的微弱信号进行滤波、放大、检波、整形,得到满足要求的脉冲信号,最后送入单片机进行数据处理,提取出所要测量的参数。

　　设计接收电路时,采用了两级放大。前级放大选用MAXIM公司的低功耗、宽带运放MAX4132。第二级使用了ADI公司的带有自动增益控制(AGC)的运算放大器AD603。接收电路见图2。在图2中,前一级运放构成二阶无限增益多路反馈带通滤波器。它衰减有用信号(200kHz)以外的其他频率的干扰信号。

　　通用运放MAX4132可以单电源供电(2.7V~6.5V),也可双电源供电(±1.35V~±3.25V)。由于输入和输出端均设计为满电源工作幅度的轨到轨(Rail2to2rail)结构,使得其直流精度方面非常出色。其低功耗的设计使得每个运放仅需要900μA的工作电流。而且驱动能力强,能驱动低到250Ω的负载。

　　另外,低失调电压及高速(GBW=10MHz)的特点使得其非常适合于低电压供电的精密数据采集系统。

　　3　AGC(自动增益控制)运算放大器电路的设计及实现

　　由于煤气在管道中的流速是可变的,如果接收到的超声信号的幅度随着煤气的流速的改变而改变,时间测量结果就会产生误差。为了使接收信号的幅度在气体流速变化时仍能保持不变,就需要对接收信号的幅度进行控制,即在接收信号强时,减少运放的增益,而在接收信号弱时,增大运放的增益,以达到使接收信号保持稳幅输出的目的。

　　图2中的AD603的增益范围为0~40dB。在增益范围内,增益电阻阻值Rg=2.15kΩ。当2脚设定好固定电压后,AD603的增益变化完全由脚1决定。图2中,C5、C6和C7为旁路电容,起滤波作用。AD603的信号输入端(VINP)对地的阻抗只有100Ω,为实现阻抗匹配,在AD603前面加了一个由MAX4132搭成的二阶带通滤波器。