四聲道超聲波氣體流量計的自動(dòng)增益控制電路設計

    隨著(zhù)國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，冶金、化工等各部門(mén)對氣體大流量的準確測量要求日益迫切，為了滿(mǎn)足氣體流量測量準確度不斷提高的要求，超聲波氣體流量計被廣泛應用于氣體流量的檢測與標定中。在超聲波氣體流量計的測量方法中應用最廣泛的是時(shí)差法。時(shí)差法超聲波氣體流量計是通過(guò)測量超聲波信號在流體中順流和逆流傳播時(shí)間之差來(lái)計算氣體流速的，它具有準確度高、非接觸測量、寬量程、無(wú)壓力損失、安裝使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，具有很好的前景。本文主要介紹四聲道超聲波氣體流量計中的自動(dòng)增益控制電路的設計。

    一、超聲波流量計測量原理

    時(shí)差法在超聲波氣體流量計的測量中應用最為廣泛。圖1為超聲波傳感器安裝的簡(jiǎn)化結構，A與B兩個(gè)傳感器相對于管道軸線(xiàn)的安裝角為θ，管徑為D，兩個(gè)傳感器之間的距離為L(cháng)，超聲波在靜止流體中的傳播速度為C₀。

    超聲波實(shí)際的傳播速度C為C₀與流體在聲道方向上的速度分量V_cosθ的代數和。

    C=C₀±V_cosθ（1）

    由式（1）可以得到超聲波順流傳播時(shí)間t_AB與逆流傳播時(shí)間t_BA：

    t_AB=L/（C₀+V_sinθ）（2）

    t_BA=L/（C₀-V_sinθ）（3）

    由式（2）和式（3）消除C₀，可得流速：

    又L=D/sinθ，代入式（4）可得

    這種算法只需測出t_AB與t_BA就可以得到流速V，避免了求聲速C₀的困難，因為聲速C₀會(huì )隨著(zhù)流體周?chē)鷾囟�、密度等因素發(fā)生變化，得到流速V就可以進(jìn)一步求出流體的流量。

    二、自動(dòng)增益控制電路設計

    在四聲道超聲波流量計的測量中，由于各個(gè)聲道的長(cháng)度不同、傳感器的特性存在差異和測量時(shí)氣體流速的變化，導致每次測量時(shí)傳感器接受信號的大小也不同，故需要自動(dòng)增益控制對接受信號的大小進(jìn)行調節，以滿(mǎn)足系統測量準確度的要求。

    自動(dòng)增益控制電路由增益控制芯片VCA810電路、峰值采樣電路、A/D轉換電路、單片機控制電路、D/A轉換電路、電壓調整電路構成。其中單片機使用的是LPC936芯片，自動(dòng)增益控制電路中的A/D與D/A電路直接使用LPC936內部集成的8位的A/D與D/A轉換器。這樣在滿(mǎn)足準確度的要求下，簡(jiǎn)化了電路設計。圖2為自動(dòng)增益控制電路框圖。

    1. 自動(dòng)增益控制芯片VCA810

    自動(dòng)增益控制芯片是自動(dòng)增益控制電路的關(guān)鍵，其性能的好壞直接影響自動(dòng)增益控制電路的成敗。這里選用的是TI公司的高增益可調寬帶壓控放大器VCA810。其特性包括：高增益可調范圍：±40dB，增益控制準確度：±1.5dB（高精度型號為±0.9dB），差分輸入單端輸出，不變的增益帶寬35MHz，dB/V增益線(xiàn)性度：±0.3dB，增益控制帶寬25MHz，低輸出DC誤差：小于40mV，高輸出電流：±60mV，低工作電流24.8mA。

    VCA810的工作原理是通過(guò)對其引腳VC施加不同的電壓來(lái)控制增益的大小的�？刂齐妷篤_C與增益G的函數關(guān)系式為

    G_（V/V）=10^-2（Vc+1）
    G_（dB）=-40_^（VC^+1）dB

    當V_C從0V變化到-2V時(shí)，增益從-40dB線(xiàn)性地變化到+40dB。另外，當V_C電壓超過(guò)0V時(shí)，增益為-80dB，這實(shí)際上就有效地阻斷了放大器。

    為了充分發(fā)揮VCA810的性能，要合理布局，精心布線(xiàn)。例如印刷板上的導線(xiàn)應寬而短，減小信號和供電回路的電阻和電感；采取良好的電源去耦措施，去耦電容要用大容量的鉭電容和無(wú)感小電容并聯(lián)，以獲得良好的去耦效果；不用的管腳盡量靠近管殼對地短路等。VCA810電路原理圖如圖3所示。

    2. 峰值采樣保持電路

    超聲波信號經(jīng)過(guò)VCA810處理后，就進(jìn)入了峰值采樣保持電路。這里采用雙路運算放大器TL082組成了正峰值保持電路，其電路原理圖如圖4所示。其工作原理是當輸入信號為正時(shí)，二極管D₂導通，電容C₂₅開(kāi)始充電，隨著(zhù)C₂₅兩端電壓的增大，輸出電壓V_out也逐漸增大。當V_in≤V_out時(shí)，D₂截止，電容C₂₅兩端電壓保持不變，電路進(jìn)入保持狀態(tài)。當電容C₂₅=0.01μF時(shí)，C₂₅兩端保持電壓的下降速率為0.006V/s，這樣的下降速率可以滿(mǎn)足下一步A/D采樣的要求。

    對峰值電壓AD采樣結束后，從單片機發(fā)出一個(gè)高電平的脈沖信號至CLR端，即可對C₂₅兩端的電壓進(jìn)行清零，清零后可進(jìn)行下一次的峰值信號采樣。

    3. A/D采樣與D/A輸出

    A/D采樣與D/A輸出這兩部分功能由單片機LPC936實(shí)現。LPC936是一款適合于許多要求高集成度、低成本的場(chǎng)合，可以滿(mǎn)足多方面的性能要求。LPC936采用了高性能的處理器結構，指令執行時(shí)間只需2∼4個(gè)時(shí)鐘周期，6倍于標準80C51器件。LPC936集成了許多系統級的功能，這樣可大大減少元件的數目、電路板面積以及系統的成本。其中就含有2個(gè)8位、4路逐步逼近式模數轉換模塊，雙D/A轉換通道。

    來(lái)自峰值采樣電路的信號直接接到LPC936的一個(gè)A/D引腳，轉換采用單次轉換方式，進(jìn)行16次取樣，然后取平均。采樣的A/D數據進(jìn)行AGC算法處理，得到D/A輸出的數據，之后進(jìn)行D/A轉換，D/A輸出引腳連接到電壓調整電路進(jìn)行下一步的處理。

    4. 電壓調整電路

    電壓調整電路是為了滿(mǎn)足VCA810控制電壓要求進(jìn)行設計的，電壓需要調整的原因是VCA810的控制引腳VC的有效范圍是（0∼-2）V，而單片機在3.3V供電的情況下D/A引腳的輸出電壓范圍為（0∼3.3）V。電壓調整電路由雙運放LM258實(shí)現，具體電路原理圖如圖5所示。工作原理是先由LM258其中的一個(gè)運放構成一個(gè)跟隨器電路，設計跟隨器電路的原因是LPC936的D/A輸出為高輸出阻抗，輸出電壓受后級電路阻抗的影響大，而跟隨器特點(diǎn)是高輸入阻抗，低輸出阻抗，當輸出阻抗很低時(shí)，對后級電路相當于一個(gè)恒壓源，輸出電壓不受后級電路阻抗的影響。跟隨器輸出信號接一個(gè)增益為1的反向放大器，由LM258另外的一個(gè)運放構成，這樣可以把電壓由（0∼3.3）V調整到（0∼-3.3）V，然后接一個(gè)分壓電路，進(jìn)一步把電壓由（0∼-3.3）V調整到（0∼-2）V。調整后的這個(gè)電壓即可滿(mǎn)足VCA810的控制電壓的范圍要求。

    5. AGC算法

    AGC算法關(guān)系到自動(dòng)增益控制能否最終很好地實(shí)現，AGC算法的目的是把A/D采樣數據經(jīng)過(guò)運算處理后轉成符合D/A輸出的數據。這里進(jìn)一步詳細的解釋算法的實(shí)現。首先由A/D采樣數據得進(jìn)入A/D引腳前的峰值電壓，然后計算增益倍數，接著(zhù)計算AGC控制電壓的大小，最后求得D/A輸出電壓的數據。其中求V_C是依據VCA810中V_C與增益G的關(guān)系式：G_（V/V）=10^{-2（Vc+1）_。}

    下面給出具體的函數實(shí)現，設V_n為進(jìn)入A/D引腳前的峰值電壓，V_S為設定好的標準峰值電壓，V_C為VCA810的控制電壓，AD_RESULT為A/D采樣的數據，DA_RESULT為D/A口要輸出的數據。具體的函數實(shí)現為

    voidAGC（）

    {

    floatVn；//進(jìn)入A/D引腳前的峰值電壓

    floatVc；//VCA810控制電壓

    floatG；//AGC增益倍數

    Vn=3.3*AD_RESULT/256；//得當前進(jìn)入A/D引腳前的峰值電壓

    G=V_s/V_n；//得AGC增益倍數

    VC=-（log（G）/log（10））/2-1；//得AGC控制電壓

    DA_RESULT=-128*Vc；//得D/A輸出電壓

    }

    三、總結

    本文研究了四聲道超聲波氣體流量計自動(dòng)增益控制電路的設計，試驗表明該電路達到了設計要求，電路可以穩定地工作。自動(dòng)增益控制電路的實(shí)現保證了信號的穩定性，為下一步信號處理電路如電壓比較器電路、計時(shí)電路、糾錯電路的設計打下了良好的基礎，也保證了四聲道超聲波氣體流量計的最終設計實(shí)現。