專利名稱：一種用于時差法超聲波氣體流量計(jì)的脈沖檢測電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于時差法超聲波氣體流量計(jì)的脈沖檢測電路，用于檢測超聲波
換能器接收到的超聲波信號，并在檢測到所需要脈沖時輸出超聲波脈沖到達(dá)信號。
背景技術(shù)：
超聲波氣體流量計(jì)用于氣體傳輸管道中的流量計(jì)量，主要應(yīng)用于天然氣管道及工 業(yè)氣體管道中，可分為多普勒式與時差法式等。采用時差法的超聲波氣體流量計(jì)，通過一對 超聲波傳感器，分別測量兩者之間順流(相對于氣體流動方向)與逆流時的超聲波傳播時 間，可以計(jì)算出該管段內(nèi)聲速、氣體流速、氣體流量等參數(shù)。對于采用時差法測量的超聲波 氣體流量計(jì)，準(zhǔn)確地測量超聲波傳播時間是最為重要的，在超聲波發(fā)射時刻已知的前提下， 只需要給出準(zhǔn)確的超聲波到達(dá)時刻即可。由于氣流湍流、氣體中雜質(zhì)、管道震動及閥門開 關(guān)、超聲波在管道內(nèi)的反射等原因，接收到的超聲波信號通常存在著波形畸變及峰值變化， 因此，不能通過將信號直接通過與固定電壓比較確定超聲波到達(dá)時刻，一般采用的是過零 比較。將放大后信號與閾值電壓的比較結(jié)果作為過零比較控制信號，將過零比較器的輸出 作為信號到達(dá)標(biāo)志。 為防止信號幅值變化過大，導(dǎo)致過零比較控制信號前后跳動數(shù)個周期，常用的方 法是自動增益控制，以檢測上一個發(fā)射周期收到的信號峰值作為下一個周期接收信號放大 增益調(diào)整的依據(jù)，以使放大后的信號峰值只有小范圍的波動。此方法通過AD轉(zhuǎn)換器、計(jì)算 機(jī)、DA轉(zhuǎn)換器及壓控增益放大電路構(gòu)成。由計(jì)算機(jī)對上一個發(fā)射周期信號進(jìn)行AD采樣，將 其峰值與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的進(jìn)行對比，確定下一周期的信號放大倍數(shù)，并通過DA輸出相應(yīng)的控制 電壓至壓控增益放大電路，以實(shí)現(xiàn)自動增益控制。因此，自動增益控制需要專門編寫軟件進(jìn) 行AD采樣，并在采樣后確定下次增益，并輸出至DA，增加了系統(tǒng)時間開銷，特別是對于只采 用了單片機(jī)系統(tǒng)的小型流量計(jì)，系統(tǒng)時間開銷及AD所需要的存儲空間都占用了較多的資 源，而且對軟件可靠性有很高要求；另一方面，在AD及DA轉(zhuǎn)換過程中，必然會伴隨著精度損 失，從而直接影響了自動增益后的信號峰值波動，甚至?xí)?dǎo)致峰值波動過大，使過零比較控 制信號跳動數(shù)個周期，違背了使用該方法的初衷；而如果無限制地采用高精度AD/DA，則成 本與電路規(guī)模將會很大，在很多場合是無法接受的。 綜上所述，現(xiàn)有的應(yīng)用于時差法超聲波氣體流量計(jì)超聲波檢測電路，存在著電路 比較復(fù)雜、軟件開銷大、對軟件可靠性要求高的固有問題，同時對于控制精度與成本互相制 約的矛盾，也是很難克服的。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于時差法超聲波 氣體流量計(jì)的脈沖檢測電路，其采用了峰值傳遞方法，根據(jù)信號峰值的變化，自動改變用于 產(chǎn)生過零比較控制信號的比較電平，在提高了超聲波信號檢測的準(zhǔn)確性和時間精度，減小 了低信噪比對測量結(jié)果的影響，同時，響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，且除開關(guān)信號外無需軟件支持，使用方便，精確度高。
技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用了如下的技術(shù)方案 —種用于時差法超聲波氣體流量計(jì)的脈沖檢測電路，其特征在于它包括計(jì)算機(jī)
接口及控制電路、前置放大電路、峰值調(diào)整與傳遞電路、信號三級放大電路和比較電路；所
述的前置放大電路分別與峰值調(diào)整與傳遞電路、信號三級放大電路電連接，所述的前置放
大電路、峰值調(diào)整與傳遞電路和信號三級放大電路分別通過比較電路與計(jì)算機(jī)接口及控制
電路電連接；由計(jì)算機(jī)接口及控制電路輸入的同步信號控制電路工作時序，在預(yù)先估計(jì)的
超聲波脈沖到達(dá)接收傳感器之前，提前清空峰值傳遞與比較電路所保存的峰值；前置放大
電路將傳感器輸出的信號前置放大后輸出至峰值調(diào)整與傳遞電路與信號三級放大電路；峰
值調(diào)整與傳遞電路將峰值保存，其輸出為清空峰值之前傳遞的上次峰值；信號三級放大電
路將信號進(jìn)行三級放大后輸出至比較電路；前置放大電路輸出與峰值調(diào)整與傳遞電路輸出
通過比較電路進(jìn)行比較，比較結(jié)果控制比較電路將信號三級放大電路輸出進(jìn)行過零比較，
檢測到超聲波脈沖后輸出至計(jì)算機(jī)接口及控制電路；預(yù)先估計(jì)的超聲波脈沖結(jié)束之后，峰
值調(diào)整與傳遞電路將之前保存的峰值輸出。 其中，所述的計(jì)算機(jī)接口及控制電路包括接線端子，接線端子通過排線分別與計(jì)
算機(jī)的地，+5V、 -5V電源，以及時序控制信號CTRL0和CTRL1、時序使能信號EN和計(jì)算機(jī)連
接；時序控制信號CTRL01、CTRL分別與譯碼器的編碼輸入端A、B連接，時序使能信號EN與
譯碼器的使能端G1連接，計(jì)算機(jī)接收的超聲波脈沖到達(dá)信號與比較電路的輸出端連接；譯
碼器的編碼輸入端C、使能端G2A、G2B接地，譯碼器的譯碼輸出端Y0-Y4分別通過第一反相
器、第二反相器、第三反相器和第四反相器與峰值調(diào)整與傳遞電路連接。 其中，所述的前置放大電路包括第一放大器，第一放大器的同相輸入端通過第一
電阻接地，第一放大器的反相輸入端通過第二電阻與信號源連接；第一放大器的輸出端通
過第三電阻與第一放大器的反相輸入端連接；第一二極管的負(fù)極接地，第一二極管的正極
與第一放大器的反相輸入端連接；第二二極管的正極接地，第二二極管的負(fù)極與第一放大
器的反相輸入端連接；第一放大器的輸出端通過第五電阻與第二放大器的反相輸入端相
連，第二放大器的同相輸入端通過第四電阻接地；第二放大器的輸出端通過第六電阻與第
二放大器的反相輸入端相連，第二放大器的輸出端與峰值調(diào)整與傳遞電路連接。用于將傳
感器輸出的信號初步放大，以滿足峰值調(diào)整與傳遞電路峰值保存和比較電路比較的要求。 所述采用的第一放大器、第二放大器的輸入阻抗大于等于1012Q ，增益帶寬積大于
等于10MHz，等效輸入噪聲小于等于55nV/V^ 。用于對較高頻率超聲波信號的放大。 所述的峰值調(diào)整與傳遞電路包括第一模擬開關(guān)、第二模擬開關(guān)、第三模擬開關(guān)和
第四模擬開關(guān)；第一模擬開關(guān)、第二模擬開關(guān)、第三模擬開關(guān)和第四模擬開關(guān)的控制端分別
與計(jì)算機(jī)接口及控制電路的輸出端T1、T2、T3和T4連接；第三放大器的同相輸入端通過第
一模擬開關(guān)與前置放大電路的輸出端連接，第三放大器的同相輸入端通過第七電阻接地；
第三二極管的正極與第三放大器的反相輸入端連接，第三二極管的負(fù)極與第四放大器的輸
出端連接；第四二極管的正極與第三放大器的輸出端連接，第四二極管的負(fù)極通過串聯(lián)的
第九電阻、第八電阻與第四二極管的反相輸入端連接，第四二極管的負(fù)極還與第五二極管
的正極連接；第五二極管的負(fù)極與第十電阻的一端連接，第十電阻的另一端分別通過第一
電容、第二模擬開關(guān)接地；第五二極管的負(fù)極通過第十一電阻與第四放大器的同相輸入端連接，第四放大器的輸出端與第四放大器的反相輸入端連接；第五放大器的同相輸入端通
過第三模擬開關(guān)與第四放大器的輸出端連接；第五放大器的同相輸入端通過第十二電阻接
地，第六二極管的正極與第五放大器的反相輸入端連接，第六二極管的負(fù)極與第五放大器
的輸出端連接；第七二極管的正極與第五放大器的輸出端連接，第七二極管的負(fù)極通過串
聯(lián)的第十四電阻、第十三與第五放大器的反相輸入端連接，第七二極管的負(fù)極還與第八二
極管的正極連接；第八二極管的負(fù)極與第十五電阻的一端連接，第十五電阻的另一端分別
通過第二電容、第四模擬開關(guān)接地；第八二極管的負(fù)極還通過第十六電阻與第六放大器的
同相輸入端連接；第六放大器的輸出端與第六放大器的反相輸入端連接；第六放大器的輸
出端與比較電路連接。用于將前置放大電路在上一個信號周期接收到的信號峰值傳遞至比
較電路，并將本信號周期接收到的信號峰值保存，供下一個信號周期使用。 所述采用的第三放大器、第四放大器、第五放大器和第六放大器的輸入阻抗大于
等于10120，增益帶寬積大于等于10MHz，等效輸入噪聲小于等于55nV/V^。 所述的信號三極放大電路包括第七放大器，第七放大器的同相輸入端通過第十七
電阻接地，第七放大器的反相輸入端通過第十八電阻與前置放大電路輸出端連接；第七放
大器的輸出端通過第十九電阻與第七放大器的反相輸入端連接，第七放大器的輸出端還通
過第二十電阻與比較電路連接。 所述采用的第七放大器的輸入阻抗大于等于1012Q ，增益帶寬積大于等于lOMHz，
等效輸入噪聲小于等于55nV/V^。用于對較高頻率超聲波信號的放大。
所述的比較電路包括比較器，比較器通道A的控制端接地，比較器通道A的同相輸 入端與前置放大電路的輸出端連接，比較器通道A的反相輸入端與峰值調(diào)整與傳遞電路的 輸出端連接，比較器通道A的同相輸出端與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器同相輸入端連接，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 的定時端RC通過第二十一電阻接+5V電源，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時端RC通過第三電容與單 穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時端C連接；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的反相輸入端與清零端接+5V電源，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā) 器的反相輸出端與比較器通道B的控制端連接；比較器通道B的反相輸入端與信號三極放 大電路的輸出端連接，比較器通道B的同相輸入端接地，比較器通道B的同相輸出端與計(jì)算 機(jī)接口及控制電路連接。所述比較器的共模抑制比不小于80dB，傳輸延遲不大于16ns，差 分傳輸延遲不大于5ns。 工作原理在計(jì)算機(jī)程序的控制下，檢測電路根據(jù)所接收到的超聲波信號峰值變 化自動調(diào)整比較電平，在檢測到所需要脈沖時輸出超聲波脈沖到達(dá)信號至計(jì)算機(jī)，供計(jì)算 機(jī)計(jì)算超聲波傳播時間用。 有益效果(l)本發(fā)明采用了峰值傳遞方法，根據(jù)信號峰值的變化，自動改變用于 產(chǎn)生過零比較控制信號的比較電平，避免了增益控制所需要的復(fù)雜控制，使電路結(jié)構(gòu)非常 簡單。(2)不需采用AD/DA轉(zhuǎn)換，避免了轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的精度損失以及成本及精度之間 平衡的矛盾。(3)所有功能電路均采用硬件電路直接搭建而成，無需要軟件支持，響應(yīng)速度 快，方便調(diào)試，且適應(yīng)性廣。(4)采用高輸入阻抗，高增益帶寬積、低噪聲的運(yùn)算放大器組成 三級放大器，實(shí)現(xiàn)對寬頻帶內(nèi)尤其是高頻率信號的等比例放大，使得該電路適應(yīng)不同頻率 的空氣超聲信號放大，對于大功率超聲信號，上限頻率可以達(dá)到lMHz，一般超聲信號實(shí)用上 限頻率可以達(dá)到500KHz。 (5)本發(fā)明采用市場上較容易采購的簡單集成電路組成，結(jié)構(gòu)簡 單合理，成本低于同等性能的增益控制電路，且調(diào)試方便，可靠性高。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。 圖2為本發(fā)明控制信號時序圖 圖3為本發(fā)明的計(jì)算機(jī)接口及控制電路圖。 圖4為本發(fā)明的前置放大電路圖。 圖5為本發(fā)明的峰值調(diào)整與傳遞電路圖。 圖6為本發(fā)明的信號三級放大電路圖。 圖7為本發(fā)明的比較電路圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進(jìn)一步的說明。 如圖1所示，本發(fā)明的一種用于時差法超聲波氣體流量計(jì)的信號檢測電路，包括 計(jì)算機(jī)接口及控制電路l，前置放大電路2，峰值調(diào)整與傳遞電路3，信號三級放大電路4和 比較電路5。所述的前置放大電路2分別與峰值調(diào)整與傳遞電路3、信號三級放大電路4電 連接，所述的前置放大電路2、峰值調(diào)整與傳遞電路3和信號三級放大電路4分別通過比較 電路5與計(jì)算機(jī)接口及控制電路1電連接；由計(jì)算機(jī)接口及控制電路1輸入的同步信號控 制電路工作時序，在預(yù)先估計(jì)的超聲波脈沖到達(dá)接收傳感器之前，提前清空峰值傳遞與比 較電路5所保存的峰值；前置放大電路2將傳感器輸出的信號前置放大后輸出至峰值調(diào)整 與傳遞電路3與信號三級放大電路4 ;峰值調(diào)整與傳遞電路3將峰值保存，其輸出為清空峰 值之前傳遞的上次峰值；信號三級放大電路4將信號進(jìn)行三級放大后輸出至比較電路5 ;前 置放大電路2輸出與峰值調(diào)整與傳遞電路3輸出通過比較電路5進(jìn)行比較，比較結(jié)果控制 比較電路5將信號三級放大電路4輸出進(jìn)行過零比較，檢測到超聲波脈沖后輸出至計(jì)算機(jī) 接口及控制電路1 ;預(yù)先估計(jì)的超聲波脈沖結(jié)束之后，峰值調(diào)整與傳遞電路3將之前保存的 峰值輸出。 如圖3所示，所述的計(jì)算機(jī)接口及控制電路1包括同步控制信號、檢測結(jié)果輸出信 號接口和開關(guān)信號電路。電源為士5V，用于為本裝置所有電路提供檢測電路所需的電源； 同步控制信號為2位，根據(jù)圖2所示的時序圖，經(jīng)74LS138譯碼后控制各開關(guān)電路的通斷。 所述的計(jì)算機(jī)接口及控制電路1包括接線端子Jl，如可用型號為SIP9的接線端子。接線 端子Jl通過排線分別與計(jì)算機(jī)的地，+5V、 -5V電源，以及時序控制信號CTRL0和CTRL1、時 序使能信號EN和計(jì)算機(jī)連接；時序控制信號CTRLOl、 CTRL分別與譯碼器Ul的編碼輸入端 A、 B連接，時序使能信號EN與譯碼器Ul的使能端Gl連接，計(jì)算機(jī)接收的超聲波脈沖到達(dá) 信號與比較電路5的輸出端連接。譯碼器U1的型號為74LS138。譯碼器Ul的編碼輸入端 C、使能端G2A、 G2B接地，譯碼器Ul的譯碼輸出端Y0-Y4分別通過第一反相器U2A、第二反 相器U2B、第三反相器U2C和第四反相器U2D與峰值調(diào)整與傳遞電路3連接，所述的四個反 相器的型號為74LS04。 計(jì)算機(jī)接口及控制電路1用于連接計(jì)算機(jī)提供的電路工作電源和控制信號，控制
峰值調(diào)整與傳遞電路3的工作時序，并將電路的輸出端連接至計(jì)算機(jī)。 如圖4所示，前置放大電路2用于將傳感器輸出的信號初步放大，它包括第一級放大電路與第二級放大電路，用于對微小超聲波信號進(jìn)行初步放大，使其以滿足峰值調(diào)整與 傳遞電路3峰值保存和比較電路5比較的要求。兩級放大電路均由集成運(yùn)算放大器組成。
所述的前置放大電路2包括第一放大器U3A，第一放大器U3A的同相輸入端通過 第一電阻R1接地，第一放大器U3A的反相輸入端通過第二電阻R2與信號源，即接收傳感器 連接；第一放大器U3A的輸出端通過第三電阻R3與第一放大器U3A的反相輸入端連接；第 一二極管D1的負(fù)極接地，第一二極管D1的正極與第一放大器U3A的反相輸入端連接；第 二二極管D2的正極接地，第二二極管D2的負(fù)極與第一放大器U3A的反相輸入端連接；第 一放大器U3A的輸出端通過第五電阻R5與第二放大器U3B的反相輸入端相連，第二放大器 U3B的同相輸入端通過第四電阻R4接地；第二放大器U3B的輸出端通過第六電阻R6與第 二放大器U3B的反相輸入端相連，第二放大器U3B的輸出端與峰值調(diào)整與傳遞電路3連接。
如圖5所示，所述的峰值調(diào)整與傳遞電路3包括開關(guān)電路、峰值放大電路、峰值傳 遞電路和電容充放電電路。由計(jì)算機(jī)接口及控制電路1控制開關(guān)電路的通斷，分別實(shí)現(xiàn)對 保存峰值電容的充放電，以及峰值傳遞電容的充放電。峰值保存電容和峰值傳遞電容的充 電和輸出均由集成運(yùn)算放大器組成，其中充電電路為放大電路，輸出電路為跟隨器電路。
所述的峰值調(diào)整與傳遞電路3包括第一模擬開關(guān)U5A、第二模擬開關(guān)U5B、第三模 擬開關(guān)U5C和第四模擬開關(guān)U5D，如可用型號為CD4066的模擬開關(guān)；第一模擬開關(guān)U5A、第 二模擬開關(guān)U5B、第三模擬開關(guān)U5C和第四模擬開關(guān)U5D的控制端分別與計(jì)算機(jī)接口及控 制電路1的輸出端T1、T2、T3和T4連接；第三放大器U4A的同相輸入端通過第一模擬開關(guān) U5A與前置放大電路2的輸出端連接，第三放大器U4A的同相輸入端通過第七電阻R7接地； 第三二極管D3的正極與第三放大器U4A的反相輸入端連接，第三二極管D3的負(fù)極與第四 放大器U4A的輸出端連接。 第四二極管D4的正極與第三放大器U4A的輸出端連接，第四二極管D4的負(fù)極通 過串聯(lián)的第九電阻R9、第八電阻R8與第四二極管D4的反相輸入端連接，第四二極管D4的 負(fù)極還與第五二極管D5的正極連接；第五二極管D5的負(fù)極與第十電阻RIO的一端連接，第 十電阻R10的另一端分別通過第一電容Cl、第二模擬開關(guān)U5B接地。 第五二極管D5的負(fù)極通過第十一電阻Rll與第四放大器U4B的同相輸入端連接， 第四放大器U4B的輸出端與第四放大器U4B的反相輸入端連接；第五放大器U6A的同相輸 入端通過第三模擬開關(guān)U5C與第四放大器U4B的輸出端連接。 第五放大器U6A的同相輸入端通過第十二電阻R12接地，第六二極管D6的正極與 第五放大器U6A的反相輸入端連接，第六二極管D6的負(fù)極與第五放大器U6A的輸出端連 接。 第七二極管D7的正極與第五放大器U6A的輸出端連接，第七二極管D7的負(fù)極通 過串聯(lián)的第十四電阻R14、第十三R13與第五放大器U6A的反相輸入端連接，第七二極管D7 的負(fù)極還與第八二極管D8的正極連接。 第八二極管D8的負(fù)極與第十五電阻R15的一端連接，第十五電阻R15的另一端分 別通過第二電容C2、第四模擬開關(guān)U5D接地；第八二極管D8的負(fù)極還通過第十六電阻R16 與第六放大器U6B的同相輸入端連接。 第六放大器U6B的輸出端與第六放大器U6B的反相輸入端連接；第六放大器U6B 的輸出端與比較電路5連接。
峰值調(diào)整與傳遞電路3用于將前置放大電路2在上一個信號周期接收到的信號峰 值傳遞至比較電路5，并將本信號周期接收到的信號峰值保存，供下一個信號周期使用。
如圖6所示，信號三級放大電路4由集成運(yùn)算放大器組成。所述的信號三極放大 電路4包括第七放大器U7A，第七放大器U7A的同相輸入端通過第十七電阻R17接地，第七 放大器U7A的反相輸入端通過第十八電阻R18與前置放大電路2輸出端連接；第七放大器 U7A的輸出端通過第十九電阻R19與第七放大器U7A的反相輸入端連接，第七放大器U7A的 輸出端還通過第二十電阻R20與比較電路5連接。 信號三極放大電路4用于將前置放大電路2初步放大的信號進(jìn)一步放大，以滿足 比較電路5過零比較的要求。 如圖7所示，比較電路5包括高速比較電路和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路。峰值調(diào)整與傳 遞電路3的輸出與前置放大電路2輸出的信號同時接入高速比較電路通道A進(jìn)行比較，產(chǎn) 生的比較結(jié)果經(jīng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器延時后控制高速比較器通道B，將信號三級放大電路輸出的 信號進(jìn)行過零比較，產(chǎn)生最終檢測結(jié)果輸出至計(jì)算機(jī)接口及控制電路1。采用的雙通道比較 器共模抑制比不小于80dB，傳輸延遲不大于16ns，差分傳輸延遲不大于5ns。所述的單穩(wěn)態(tài) 電路輸出時間范圍可以由第二十一電阻R21與第三電容C3調(diào)整，作為高速比較電路通道B 打開的時間窗口 ；用于控制準(zhǔn)確打開過零比較的時間窗口，盡量減小干擾信號對比較結(jié)果 的影響。 所述的比較電路5包括比較器U8，比較器U8的型號為MAX912。比較器U8通道A 的控制端接地，比較器U8通道A的同相輸入端與前置放大電路2的輸出端連接，比較器U8 通道A的反相輸入端與峰值調(diào)整與傳遞電路3的輸出端連接，比較器U8通道A的同相輸出 端與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U9A同相輸入端連接，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U9A的型號為CD4538。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā) 器U9A的定時端RC通過第二i^一電阻R21接+5V電源，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U9A的定時端RC通 過第三電容C3與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U9A的定時端C連接；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U9A的反相輸入端與清 零端接+5V電源，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U9A的反相輸出端與比較器U8通道B的控制端連接；比較 器U8通道B的反相輸入端與信號三極放大電路4的輸出端連接，比較器U8通道B的同相 輸入端接地，比較器U8通道B的同相輸出端與計(jì)算機(jī)接口及控制電路1連接。比較電路5 用于根據(jù)上周期峰值與本周期信號比較的結(jié)果，控制對信號三級放大電路4進(jìn)行過零比較 的時間窗口，在時間窗口內(nèi)輸出過零比較結(jié)果，作為整個電路檢測結(jié)果。
本發(fā)明所采用的運(yùn)算放大器輸入阻抗為1012Q ，增益帶寬積為10腿z。在實(shí)際操作 時，等效輸入噪聲的頻率為10Hz時噪聲不高于55nV/i ;等效輸入噪聲的頻率為lOKHz時 噪聲不高于17nV/V^ ，如可用型號為TLE2072的運(yùn)算放大器。用于對較高頻率超聲波信號 的放大。 圖3-圖7所示的為一只超聲波傳感器所配套的檢測電路，一套完整的系統(tǒng)包括計(jì) 算機(jī)，一對收發(fā)兩用超聲波傳感器及其配套的發(fā)射電路，和兩套圖3-圖7所示的檢測電路。
電路工作時序圖如圖2所示。這里采用第二傳感器P2發(fā)射，第一傳感器P1接收， 以傳感器P1的檢測電路為例說明工作時序。計(jì)算機(jī)接口及控制電路l中接線端子J1通過 排線與計(jì)算機(jī)相應(yīng)端子連接，前置放大電路2的輸入端與第一傳感器P1信號端連接；T1-T4 分別為圖3所示電路圖中的4路模擬開關(guān)的控制信號。高電平為打開模擬開關(guān)，低電平為 關(guān)閉模擬開關(guān)。第一模擬開關(guān)U5A的控制Tl信號上升沿的時刻為t0， t0時刻前峰值傳遞
10電路的狀態(tài)為第一電容C1保存前一周期信號峰值，并已傳遞至第二電容C2保存，再輸出 到高速比較器電路通道A，所有模擬開關(guān)均為關(guān)閉狀態(tài)。圖中第一傳感器P1與第二傳感器 P2所示方波為兩傳感器發(fā)射脈沖示意，幅值較小的包絡(luò)為接收到信號示意。
當(dāng)?shù)诙鞲衅鱌2發(fā)射超聲波信號時，由Tl信號打開第一模擬開關(guān)U5A，使第一電 容Cl對地放電，清空峰值；根據(jù)事先粗略計(jì)算的超聲波傳播時間，控制T2信號提前打開第 二模擬開關(guān)U5B，并關(guān)閉第一模擬開關(guān)U5A，使稍后到達(dá)的超聲波信號在經(jīng)過前置放大電路 2放大后對第一電容C1充電，保存峰值；與此同時，經(jīng)前置放大后的該超聲波信號輸出到高 速比較電路通道A，與前述t0時刻前已輸出至高速比較電路通道A的峰值信號進(jìn)行比較， 當(dāng)峰值信號大于超聲波信號時，高速比較器電路輸出低電平，從而控制高速比較電路通道B 關(guān)閉，當(dāng)峰值信號小于超聲波信號時，高速比較器電路輸出高電平，經(jīng)單穩(wěn)態(tài)電路展寬，控 制高速比較電路通道B打開的時間窗口 ，使信號三級放大電路3的輸出進(jìn)行過零比較，并將 比較結(jié)果由計(jì)算機(jī)接口及控制電路1輸出至計(jì)算機(jī)。此后，第二電容C2中的峰值已無效， 由T3打開第三模擬開關(guān)U5C，對第二電容C2進(jìn)行放電，并在放電完畢后，關(guān)閉第三模擬開關(guān) U5C，打開第四模擬開關(guān)U5D，將此前對第一電容Cl充電保存的峰值傳遞至第二電容C2，并 輸出到高速比較器電路通道A供下次比較用。 在應(yīng)用到具體流量計(jì)時， 一套完整的時差法超聲波氣體流量計(jì)系統(tǒng)至少包括一對 收發(fā)兩用超聲波傳感器， 一對分別與對應(yīng)傳感器相連的檢測電路， 一臺控制計(jì)算機(jī)；由計(jì)算 機(jī)控制傳感器發(fā)射超聲波，并控制檢測電路進(jìn)行檢測，并監(jiān)測檢測電路的檢測結(jié)果，用于計(jì) 算流量。 一個完整的信號發(fā)射與檢測周期包括計(jì)算機(jī)控制第一傳感器P1發(fā)射超聲波脈沖 并開始計(jì)時，控制第二傳感器P2連接的檢測電路檢測，在第二傳感器P2連接的檢測電路檢 測到超聲波脈沖后，記錄超聲波傳播時間；然后控制第二傳感器P2發(fā)射超聲波脈沖并開始 計(jì)時，控制第二傳感器Pl連接的檢測電路檢測，在第二傳感器Pl連接的檢測電路檢測到超 聲波脈沖后，記錄超聲波傳播時間；將這兩個傳播時間用于計(jì)算流量并重復(fù)上述過程。
考慮到一對超聲波傳感器發(fā)射信號與接收信號的對稱性，可以將電路工作過程人 為地分為兩個部分當(dāng)?shù)诙鞲衅鱌2發(fā)射，第一傳感器P1接收時，P1檢測電路上的第一電 容Cl清零并充電保存峰值(由Pl檢測電路上的Tl、 T2信號控制)，P2檢測電路上的第二 電容C2清零并傳遞峰值(由P2檢測電路上的T3、T4信號控制)；當(dāng)?shù)谝粋鞲衅鱌1發(fā)射， 第二傳感器P2接收時，P2檢測電路上的第一電容C1清零并充電保存峰值(由P2檢測電 路上的Tl、 T2信號控制)，Pl檢測電路上的第二電容C2清零并傳遞峰值(由Pl檢測電路 上的T3、T4信號控制)。S卩，(1)第二傳感器P2發(fā)射脈沖時，打開第一傳感器P1檢測電路 的第一模擬開關(guān)U5A，和第二傳感器P2檢測電路的第三模擬開關(guān)U5C ; (2)經(jīng)粗略計(jì)算，第 一傳感器P1要接收到脈沖時，打開第一傳感器P1檢測電路的第二模擬開關(guān)U5B，和第二傳 感器P2檢測電路的第四模擬開關(guān)U5D ;(3)第一傳感器P1發(fā)射脈沖時，打開第一傳感器P1 檢測電路的第三模擬開關(guān)U5C，和第二傳感器P2檢測電路的第一模擬開關(guān)U5A ; (4)第二傳 感器P2要接收到脈沖時，打開第一傳感器P1檢測電路的第四模擬開關(guān)U5D，和第二傳感器 P2檢測電路的第二模擬開關(guān)U5B。 選擇電路參數(shù)時，前置放大電路2每級放大倍數(shù)根據(jù)脈沖頻率與傳播距離確定， 使信號幅度滿足峰值調(diào)整與傳遞電路3保存峰值的要求，又不會因?yàn)轱柡头糯蠖鴣G失峰值 信息。 一般5V電壓驅(qū)動的傳感器，發(fā)射40KHz脈沖傳播0. 5m時，每級放大倍數(shù)約為20-50。
11峰值調(diào)整與傳遞電路3中的第一電容CI與第二電容C2會經(jīng)過模擬開關(guān)及放大器漏電，因 此，兩個放大電路的放大倍數(shù)，使峰值既在傳遞過程中不會飽和，又能滿足在與前置放大電 路2輸出的信號進(jìn)行比較時，可以準(zhǔn)確地在所選擇的脈沖處兩者電壓相等的需要，總放大 倍數(shù)一般略大于1。信號三級放大電路4的放大倍數(shù)，只需要使信號能能夠飽和放大即可， 既滿足過零比較的要求，又不會使噪聲過大。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路的延時可由第二十一電阻 R21與第三電容C3調(diào)整，使延時時間窗口剛好在接收信號時打開，防止輸出錯誤信號。
權(quán)利要求
一種用于時差法超聲波氣體流量計(jì)的信號檢測電路，其特征在于它包括計(jì)算機(jī)接口及控制電路(1)、前置放大電路(2)、峰值調(diào)整與傳遞電路(3)、信號三級放大電路(4)和比較電路(5)；所述的前置放大電路(2)分別與峰值調(diào)整與傳遞電路(3)、信號三級放大電路(4)電連接，所述的前置放大電路(2)、峰值調(diào)整與傳遞電路(3)和信號三級放大電路(4)分別通過比較電路(5)與計(jì)算機(jī)接口及控制電路(1)電連接；由計(jì)算機(jī)接口及控制電路(1)輸入的同步信號控制電路工作時序，在預(yù)先估計(jì)的超聲波脈沖到達(dá)接收傳感器之前，提前清空峰值傳遞與比較電路(5)所保存的峰值；前置放大電路(2)將傳感器輸出的信號前置放大后輸出至峰值調(diào)整與傳遞電路(3)與信號三級放大電路(4)；峰值調(diào)整與傳遞電路(3)將峰值保存，其輸出為清空峰值之前傳遞的上次峰值；信號三級放大電路(4)將信號進(jìn)行三級放大后輸出至比較電路(5)；前置放大電路(2)輸出與峰值調(diào)整與傳遞電路(3)輸出通過比較電路(5)進(jìn)行比較，比較結(jié)果控制比較電路(5)將信號三級放大電路(4)輸出進(jìn)行過零比較，檢測到超聲波脈沖后輸出至計(jì)算機(jī)接口及控制電路(1)；預(yù)先估計(jì)的超聲波脈沖結(jié)束之后，峰值調(diào)整與傳遞電路(3)將之前保存的峰值輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于時差法超聲波氣體流量計(jì)的信號檢測電路，其特征 在于所述的計(jì)算機(jī)接口及控制電路(1)包括接線端子(Jl)，接線端子(Jl)通過排線分別 與計(jì)算機(jī)的地，+5V、-5V電源，以及時序控制信號CTRL0和CTRL1、時序使能信號EN和計(jì)算 機(jī)連接；時序控制信號CTRL01、CTRL分別與譯碼器(Ul)的編碼輸入端A、B連接，時序使能 信號EN與譯碼器(Ul)的使能端G1連接，計(jì)算機(jī)接收的超聲波脈沖到達(dá)信號與比較電路(5) 的輸出端連接；譯碼器(Ul)的編碼輸入端C、使能端G2A、G2B接地，譯碼器(Ul)的譯碼 輸出端Y0-Y4分別通過第一反相器(U2A)、第二反相器(U2B)、第三反相器(U2C)和第四反 相器(U2D)與峰值調(diào)整與傳遞電路(3)連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于時差法超聲波氣體流量計(jì)的信號檢測電路，其特征 在于所述的前置放大電路(2)包括第一放大器(U3A)，第一放大器(U3A)的同相輸入端通 過第一電阻(Rl)接地，第一放大器(U3A)的反相輸入端通過第二電阻(R2)與信號源連接； 第一放大器(U3A)的輸出端通過第三電阻(R3)與第一放大器(U3A)的反相輸入端連接；第 一二極管(Dl)的負(fù)極接地，第一二極管(Dl)的正極與第一放大器(U3A)的反相輸入端連 接；第二二極管(D2)的正極接地，第二二極管(D2)的負(fù)極與第一放大器(U3A)的反相輸入 端連接；第一放大器(U3A)的輸出端通過第五電阻(R5)與第二放大器(U3B)的反相輸入端 相連，第二放大器(U3B)的同相輸入端通過第四電阻(R4)接地；第二放大器(U3B)的輸出 端通過第六電阻(R6)與第二放大器(U3B)的反相輸入端相連，第二放大器(U3B)的輸出端 與峰值調(diào)整與傳遞電路(3)連接。用于將傳感器輸出的信號初步放大，以滿足峰值調(diào)整與 傳遞電路(3)峰值保存和比較電路(5)比較的要求。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于時差法超聲波氣體流量計(jì)的信號檢測電路，其特征 在于所述采用的第一放大器(U3A)、第二放大器(U3B)的輸入阻抗大于等于1012Q ，增益帶 寬積大于等于10MHz，等效輸入噪聲小于等于55nV/V^。用于對較高頻率超聲波信號的放 大。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于時差法超聲波氣體流量計(jì)的信號檢測電路，其特征在于所述的峰值調(diào)整與傳遞電路(3)包括第一模擬開關(guān)(U5A)、第二模擬開關(guān)(U5B)、第 三模擬開關(guān)(U5C)和第四模擬開關(guān)(U5D);第一模擬開關(guān)(U5A)、第二模擬開關(guān)(U5B)、第三 模擬開關(guān)(U5C)和第四模擬開關(guān)(U5D)的控制端分別與計(jì)算機(jī)接口及控制電路(1)的輸出 端T1、T2、T3和T4連接；第三放大器(U4A)的同相輸入端通過第一模擬開關(guān)(U5A)與前置 放大電路(2)的輸出端連接，第三放大器(U4A)的同相輸入端通過第七電阻(R7)接地；第 三二極管(D3)的正極與第三放大器(U4A)的反相輸入端連接，第三二極管(D3)的負(fù)極與 第四放大器(U4A)的輸出端連接；第四二極管(D4)的正極與第三放大器(U4A)的輸出端連接，第四二極管(D4)的負(fù)極 通過串聯(lián)的第九電阻(R9)、第八電阻(R8)與第四二極管(D4)的反相輸入端連接，第四二 極管(D4)的負(fù)極還與第五二極管(D5)的正極連接；第五二極管(D5)的負(fù)極與第十電阻 (R10)的一端連接，第十電阻(R10)的另一端分別通過第一電容(Cl)、第二模擬開關(guān)(U5B) 接地；第五二極管(D5)的負(fù)極通過第十一電阻(R11)與第四放大器(U4B)的同相輸入端連 接，第四放大器(U4B)的輸出端與第四放大器(U4B)的反相輸入端連接；第五放大器(U6A) 的同相輸入端通過第三模擬開關(guān)(U5C)與第四放大器(U4B)的輸出端連接；第五放大器(U6A)的同相輸入端通過第十二電阻(R12)接地，第六二極管(D6)的正極 與第五放大器(U6A)的反相輸入端連接，第六二極管(D6)的負(fù)極與第五放大器(U6A)的輸 出端連接；第七二極管(D7)的正極與第五放大器(U6A)的輸出端連接，第七二極管(D7)的負(fù)極 通過串聯(lián)的第十四電阻(R14)、第十三(R13)與第五放大器(U6A)的反相輸入端連接，第 七二極管(D7)的負(fù)極還與第八二極管(D8)的正極連接；第八二極管(D8)的負(fù)極與第十五電阻(R15)的一端連接，第十五電阻(R15)的另一端 分別通過第二電容(C2)、第四模擬開關(guān)(U5D)接地；第八二極管(D8)的負(fù)極還通過第十六 電阻(R16)與第六放大器(U6B)的同相輸入端連接；第六放大器(U6B)的輸出端與第六放大器(U6B)的反相輸入端連接；第六放大器 (U6B)的輸出端與比較電路(5)連接。用于將前置放大電路(2)在上一個信號周期接收到的信號峰值傳遞至比較電路(5)， 并將本信號周期接收到的信號峰值保存，供下一個信號周期使用。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于時差法超聲波氣體流量計(jì)的信號檢測電路，其特 征在于所述采用的第三放大器(U4A)、第四放大器(U4A)、第五放大器(U6A)和第六放大 器(U6B)的輸入阻抗大于等于10120，增益帶寬積大于等于10MHz，等效輸入噪聲小于等于55nV/i。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于時差法超聲波氣體流量計(jì)的脈沖檢測電路，其特征 在于所述的信號三極放大電路(4)包括第七放大器(U7A)，第七放大器(U7A)的同相輸入 端通過第十七電阻(R17)接地，第七放大器(U7A)的反相輸入端通過第十八電阻(R18)與 前置放大電路(2)輸出端連接；第七放大器(U7A)的輸出端通過第十九電阻(R19)與第七 放大器(U7A)的反相輸入端連接，第七放大器(U7A)的輸出端還通過第二十電阻(R20)與 比較電路(5)連接。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種用于時差法超聲波氣體流量計(jì)的信號檢測電路，其特征在于所述采用的第七放大器(U7A)的輸入阻抗大于等于10120，增益帶寬積大于等于 10MHz，等效輸入噪聲小于等于55nV/V^。用于對較高頻率超聲波信號的放大。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于時差法超聲波氣體流量計(jì)的脈沖檢測電路，其特征 在于所述的比較電路(5)包括比較器(U8)，比較器(U8)通道A的控制端接地，比較器(U8) 通道A的同相輸入端與前置放大電路(2)的輸出端連接，比較器(U8)通道A的反相輸入端 與峰值調(diào)整與傳遞電路(3)的輸出端連接，比較器(U8)通道A的同相輸出端與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā) 器(U9A)同相輸入端連接，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U9A)的定時端RC通過第二十一電阻(R21)接 +5V電源，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U9A)的定時端RC通過第三電容(C3)與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U9A)的定 時端C連接；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U9A)的反相輸入端與清零端接+5V電源，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(U9A) 的反相輸出端與比較器(U8)通道B的控制端連接；比較器(U8)通道B的反相輸入端與信 號三極放大電路(4)的輸出端連接，比較器(U8)通道B的同相輸入端接地，比較器(U8)通 道B的同相輸出端與計(jì)算機(jī)接口及控制電路(1)連接。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于時差法超聲波氣體流量計(jì)的信號檢測電路，其特征在 于所述比較器(U8)的共模抑制比不小于80dB，傳輸延遲不大于16ns，差分傳輸延遲不大 于5ns。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于時差法超聲波氣體流量計(jì)的脈沖檢測電路，其特征在于它包括計(jì)算機(jī)接口及控制電路、前置放大電路、峰值調(diào)整與傳遞電路、信號三級放大電路和比較電路；所述的前置放大電路分別與峰值調(diào)整與傳遞電路、信號三級放大電路電連接，所述的前置放大電路、峰值調(diào)整與傳遞電路和信號三級放大電路分別通過比較電路與計(jì)算機(jī)接口及控制電路電連接。本發(fā)明采用了峰值傳遞方法，根據(jù)信號峰值的變化，自動改變用于產(chǎn)生過零比較控制信號的比較電平，避免了增益控制所需要的復(fù)雜控制，使電路結(jié)構(gòu)非常簡單；不需采用AD/DA轉(zhuǎn)換，避免了轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的精度損失以及成本及精度之間平衡的矛盾。
文檔編號G01F1/66GK101718567SQ200910233600
公開日2010年6月2日 申請日期2009年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月29日
發(fā)明者張仲寧, 張淑儀, 賁宇 申請人:南京大學(xué)