專利名稱：超聲波流量計(jì)的高輸入阻抗差動前置放大器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種自動化儀表，特別涉及一種超聲波流量計(jì)的高輸入阻抗差動前置放大器電路。

背景技術(shù)：
當(dāng)前超聲波流量計(jì)所使用的探頭接口前置放大電路都使用簡單的接口電路，無論該電路采用分立元件或集成運(yùn)放，它們組成的電路的輸入阻抗一般都不超過500kΩ，并且不調(diào)整CMRR。這種簡單設(shè)計(jì)的缺陷主要有三點(diǎn)一是超聲探頭上有超聲發(fā)射信號和接收信號，其中的發(fā)射信號有數(shù)十伏特或數(shù)百伏特，必須用50k～300kΩ的保護(hù)電阻降壓，才能保護(hù)前置放大器；這種保護(hù)電阻將與放大器的輸入阻抗分壓，在很大程度上衰減了超聲探頭輸出的超聲波接收信號。二是在前置放大器輸入阻抗小于500kΩ時(shí)，又不在放大器的輸入端調(diào)整CMRR，勢必使一部分共模干擾信號轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_信號，成為后面放大器的放大目標(biāo)，為流量計(jì)引入很大的干擾誤差，例如市電干擾誤差。三是如果直流輸入阻抗依交流輸入阻抗被提高以后，將增加前置放大器的時(shí)漂、溫漂的交流干擾幅度。
上述三點(diǎn)是當(dāng)前超聲波流量計(jì)產(chǎn)品中始終沒有解決的問題，它們是超聲波流量計(jì)的精度始終不高的主要原因之一。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本實(shí)用新型提供了一種利用正反饋回路加大前置放大器電路的交流輸入阻抗，另外又增加CMRR電位器以確保共模信號的高度衰減的超聲波流量計(jì)的高輸入阻抗差動前置放大器電路。
本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是一種超聲波流量計(jì)的高輸入阻抗差動前置放大器電路，包括輸入信號端子Vi+、Vi-、輸出信號端子Vo+、Vo-，其特征在于還包括高壓保護(hù)電路、CMRR調(diào)整電路、集成運(yùn)算放大器組成的放大電路，其中所述的高壓保護(hù)電路包括電阻R1、R11、二極管D1、D2，所述的CMRR調(diào)整電路包括電位器Ro、電阻R2、R12，所述的集成運(yùn)算放大器組成的放大電路包括集成運(yùn)放電路A1、A2、電阻R6、R16、R3、R4、R5、R13、R14、R15、電容C1、C2，所述的輸入信號端子Vi+通過電阻R1與二極管D1、D2反向并聯(lián)一端、電阻R2連接，電阻R2另一端與電阻R3一端、集成運(yùn)放電路A1的同相輸入端連接，電阻R3另一端與電阻R4、R5的一端連接，電阻R4另一端接地，電阻R5的另一端經(jīng)電容C1與集成運(yùn)放電路A1輸出信號端Vo+連接，集成運(yùn)放電路A1輸出信號端子Vo+通過電阻R6與集成運(yùn)放電路A1的反相輸入端連接，輸入信號端子Vi-通過電阻R11與二極管D1、D2反向并聯(lián)另一端、電位器Ro連接，電位器Ro另一端通過電阻R12與集成運(yùn)放電路A2的同相輸入端、電阻R13連接，電阻R13另一端與電阻R14、R15的一端連接，電阻R14另一端接地，電阻R15的另一端經(jīng)電容C2與集成運(yùn)放電路A2輸出信號端子VO-連接，集成運(yùn)放電路A2輸出信號端子Vo-通過電阻R16與集成運(yùn)放電路A2的反相輸入端連接。
本實(shí)用新型的有益效果是1.利用正反饋回路加大前置放大器電路的交流輸入阻抗，將之提高到10M～100MΩ范圍內(nèi)，以加大與保護(hù)電阻的分壓比，于是放大器輸入端可以從探頭上獲得90％以上的超聲輸入信號。2.在提高交流輸入阻抗的同時(shí)，可以保證較低的直流輸入阻抗。大約在100k～400kΩ范圍之內(nèi)，以減少直流漂移誤差。3.增加CMRR電位器，確保共模信號的高度衰減。這種平衡電路設(shè)計(jì)將使CMRR之值增加到60dB以上。
總之，超聲波流量計(jì)的高輸入阻抗差動前置放大器電路，可以從探頭獲得很高的輸入電壓信號，卻從探頭中吸取功率甚小，確保測量精度的提高。

圖1為本實(shí)用新型應(yīng)用前置放大器電路圖并作為摘要附圖。
圖2為本實(shí)用新型前置放大器原理方框圖。
具體實(shí)施方式
如圖1、2所示 1.高壓保護(hù)電路兩只阻值在50k～100kΩ的電阻R1和R11，與保護(hù)二極管D1和D2組成串聯(lián)回路形式的限幅電路，防止超聲探頭數(shù)十伏或數(shù)百伏的發(fā)射信號擊穿運(yùn)放A1、A2的輸入回路。二極管D1、D2分別與A1和A2的輸入端相聯(lián)，使該輸入端的最大電壓信號被限制在±0.8V以內(nèi)。
高壓保護(hù)電路直接或間接與運(yùn)放輸入端相聯(lián)。D1和D2取普通硅二極管。
2.CMRR(共模抑制比)調(diào)整電路電位器Ro與電阻器R12、R2共同組成CMRR調(diào)整電路。電位器Ro直接或間接與運(yùn)放A1、A2輸入端相聯(lián)。
直接相聯(lián)時(shí)，調(diào)整RO可以改變由A1和A2組成的放大電路的總體阻抗的平衡性，導(dǎo)致整個(gè)前置放大器的CMRR達(dá)到60dB以上。
改變電位器Ro的阻值，可以改變各個(gè)直流電阻總體的對稱平衡性。調(diào)整電路的三個(gè)元件中，電位器Ro取值范圍在30k～100kΩ之間選取，且R2＝Ro，R12＝0.5×Ro。阻值選取的原則，應(yīng)確保整體前置放大器的總的直流輸入阻抗不超過400kΩ。
3.運(yùn)放組成的放大電路 集成運(yùn)放A1的正反饋回路中置入由電阻器R3、R4、R5和電容C1組成的T形網(wǎng)絡(luò)，其中R3、R4和R5各有一端聯(lián)在一起，它們的另一端中R4接地，R3接A1的同相輸入端，R5通過C1接A1的輸出端Vo+。集成運(yùn)放A2的正反饋回路中置入由電阻器R13、R14、R15和電容C2組成的T形網(wǎng)絡(luò)。其中R13、R14和R15各有一端聯(lián)在一起，它們的另一端中R14接地，R13接A2的反相輸入端，R15通過C2接A1A2的輸出端Vo+。交流耦合電容C1和C2取值為0.01μ～0.1μF。
T形網(wǎng)絡(luò)組成放大器直流輸入阻抗Ri的一部分 Ri＝2(R1+R2+R3+R4)≤500kΩ(1) T形網(wǎng)絡(luò)與其它元件組成放大器交流輸入阻抗為 ri＝2(R1+R2+2πf0·C1·R3·R4)≥10MΩ(2) 式中f0是超聲探頭的工作頻率。ri之值應(yīng)設(shè)計(jì)在10MΩ以上，甚至達(dá)到100MΩ以上。此值的設(shè)計(jì)視超聲探頭的輸出阻抗r0確定。
T形網(wǎng)絡(luò)中，R3＝R13，R4＝R14，(R3+R4)<200kΩ，R5＝R15＝2kΩ，C1＝C2，依式(2)取在0.1μ～0.01μ之內(nèi)。
兩個(gè)集成運(yùn)放A1和A2的負(fù)反饋端各有負(fù)反饋電阻R6＝R16＝(R3+R4)。兩個(gè)負(fù)反饋電阻可以保證與A1和A2同相端的直流平衡性。
4.差動電路設(shè)計(jì) 整體電路是一個(gè)差動輸入、差動輸出前置放大器。以A1和A2為代表的兩套放大電路應(yīng)保持它們的總體對稱性，這種保證是由上下兩套電子元件分別對應(yīng)相同而實(shí)現(xiàn)的。電阻配對誤差應(yīng)在±0.5％范圍之內(nèi)，電容配對誤差應(yīng)該保證在±5％以內(nèi)，運(yùn)放A1和A2應(yīng)該選用帶寬增益積在5M～50MHz范圍內(nèi)的雙運(yùn)放，該范圍由探頭超聲波的頻率決定。
5.前置放大器的增益近于1，其輸出端Vo+和Vo-將與后級放大器的輸入端相聯(lián)。輸入端Vi+和Vi-將與超聲波探頭引線相聯(lián)。
典型應(yīng)用技術(shù) 依附圖1、2的應(yīng)用電路 令探頭工作頻率f0＝100kHz。若設(shè)計(jì)電路的交流輸入阻抗ri大于60MΩ，則令R1＝R11＝50kΩ，D1和D2使用普通硅二極管；令R0＝R2＝30kΩ，R12＝15kΩ。令R3＝R13＝75kΩ，R4＝R14＝75kΩ，R5＝R15＝2kΩ，C1＝C2＝0.1μF。
根據(jù)式(1)可以驗(yàn)算直流輸入阻抗 Ri＝2(R1+R2+R3+R4)＝460Kω 倘不滿足Ri<500kΩ時(shí)，可以按比例同時(shí)減小R1、R2、R3和R4的阻值，直到滿足時(shí)為止。
依據(jù)式(2)可以驗(yàn)算交流輸入阻抗 ri＝2(R1+R2+2πf0·C1·R3·R4)＝2(50k+30k+6.28×100k×75k×75k×0.1μ)≈70MΩ當(dāng)ri不滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，可以同時(shí)改變C1＝C2之值來實(shí)現(xiàn)。
可見該放大器直流輸入阻抗約460kΩ，大大降低了放大電路的直流漂移特性。而交流輸入阻抗可達(dá)70MΩ，可以從探頭獲得99％以上的超聲電壓信號。
雙運(yùn)放A1和A2選用型號為MAX4132。
共模抑制比(CMRR)的調(diào)整方法 將附圖1、2中兩輸入端Vi+和Vi-短路之后對地接入5～10V之內(nèi)的一個(gè)50Hz交流正弦信號，以模擬市電干擾。使用示波器同時(shí)觀察此正弦輸入信號和放大電路的Vo+和Vo-之間的50Hz輸出信號。反復(fù)調(diào)整電位器Ro可以使輸出50Hz波形的幅度達(dá)到最小即可。
權(quán)利要求1.一種超聲波流量計(jì)的高輸入阻抗差動前置放大器電路，包括輸入信號端子(Vi+、Vi-)、輸出信號端子(VO+、VO-)，其特征在于還包括高壓保護(hù)電路、CMRR調(diào)整電路、集成運(yùn)算放大器組成的放大電路，其中所述的高壓保護(hù)電路包括電阻(R1、R11)、二極管(D1、D2)，所述的CMRR調(diào)整電路包括電位器(RO)、電阻(R2、R12)，所述的集成運(yùn)算放大器組成的放大電路包括集成運(yùn)放電路(A1、A2)、電阻(R6、R16、R3、R4、R5、R13、R14、R15)、電容(C1、C2)，所述的輸入信號端子(Vi+)通過電阻(R1)與二極管(D1、D2)反向并聯(lián)一端、電阻(R2)連接，電阻(R2)另一端與電阻(R3)一端、集成運(yùn)放電路(A1)的同相輸入端連接，電阻(R3)另一端與電阻(R4、R5)的一端連接，電阻(R4)另一端接地，電阻(R5)的另一端經(jīng)電容(C1)與集成運(yùn)放電路(A1)輸出信號端(VO+)連接，集成運(yùn)放電路(A1)輸出信號端子(VO+)通過電阻(R6)與集成運(yùn)放電路(A1)的反相輸入端連接，輸入信號端子(Vi-)通過電阻(R11)與二極管(D1、D2)反向并聯(lián)另一端、電位器(RO)連接，電位器(RO)另一端通過電阻(R12)與集成運(yùn)放電路(A2)的同相輸入端、電阻(R13)連接，電阻(R13)另一端與電阻(R14、R15)的一端連接，電阻(R14)另一端接地，電阻(R15)的另一端經(jīng)電容(C2)與集成運(yùn)放電路(A2)的輸出信號端子(VO-)連接，集成運(yùn)放電路(A2)輸出信號端子(VO-)通過電阻(R16)與集成運(yùn)放電路(A2)的反相輸入端連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種超聲波流量計(jì)的高輸入阻抗差動前置放大器電路。它包括輸入信號端子和輸出信號端子，還包括高壓保護(hù)電路、CMRR調(diào)整電路、集成運(yùn)算放大器組成的放大電路，超聲探頭輸入信號通過輸入信號端子到高壓保護(hù)電路，高壓保護(hù)電路直接或間接與CMRR調(diào)整電路連接，利用CMRR電位器調(diào)整前置放大器電路的電阻平衡性，以確保共模信號的高度衰減，利用放大器的正反饋特性以提高前置放大器的交流輸入阻抗。本實(shí)用新型的有益效果是可以從探頭獲得很高的輸入電壓信號，卻從探頭中吸取功率甚小，確保測量精度的提高。
文檔編號G01F1/66GK201203444SQ20082007443
公開日2009年3月4日 申請日期2008年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月17日
發(fā)明者耿世鈞, 梁玉堂, 李長齊, 張亞先, 晶 馬, 皇埔曉蓉 申請人:天津天儀集團(tuán)儀表有限公司