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    重庆时时彩6312880扣群: 一种用于时差法超声波气体流量计的脉冲检测电路.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN200910233600.1

    申请日:

    2009.10.29

    公开号:

    CN101718567A

    公开日:

    2010.06.02

    当前法律状态:

    终止

    有效性:

    无权

    法律详情: 未缴年费专利权终止IPC(主分类):G01F 1/66申请日:20091029授权公告日:20120425终止日期:20141029|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01F 1/66申请日:20091029|||公开
    IPC分类号: G01F1/66 主分类号: G01F1/66
    申请人: 南京大学
    发明人: 贲宇; 张仲宁; 张淑仪
    地址: 210093 江苏省南京市鼓楼区汉口路22号
    优先权:
    专利代理机构: 南京苏高专利商标事务所(普通合伙) 32204 代理人: 杨晓玲
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN200910233600.1

    授权公告号:

    |||101718567B||||||

    法律状态公告日:

    2015.12.16|||2012.04.25|||2010.07.21|||2010.06.02

    法律状态类型:

    专利权的终止|||授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种用于时差法超声波气体流量计的脉冲检测电路,其特征在于:它包括计算机接口及控制电路、前置放大电路、峰值调整与传递电路、信号三级放大电路和比较电路;所述的前置放大电路分别与峰值调整与传递电路、信号三级放大电路电连接,所述的前置放大电路、峰值调整与传递电路和信号三级放大电路分别通过比较电路与计算机接口及控制电路电连接。本发明采用了峰值传递方法,根据信号峰值的变化,自动改变用于产生过零比较控制信号的比较电平,避免了增益控制所需要的复杂控制,使电路结构非常简单;不需采用AD/DA转换,避免了转换过程中产生的精度损失以及成本及精度之间平衡的矛盾。

    权利要求书

    1: 一种用于时差法超声波气体流量计的信号检测电路,其特征在于:它包括计算机接口及控制电路(1)、前置放大电路(2)、峰值调整与传递电路(3)、信号三级放大电路(4)和比较电路(5);所述的前置放大电路(2)分别与峰值调整与传递电路(3)、信号三级放大电路(4)电连接,所述的前置放大电路(2)、峰值调整与传递电路(3)和信号三级放大电路(4)分别通过比较电路(5)与计算机接口及控制电路(1)电连接; 由计算机接口及控制电路(1)输入的同步信号控制电路工作时序,在预先估计的超声波脉冲到达接收传感器之前,提前清空峰值传递与比较电路(5)所保存的峰值;前置放大电路(2)将传感器输出的信号前置放大后输出至峰值调整与传递电路(3)与信号三级放大电路(4);峰值调整与传递电路(3)将峰值保存,其输出为清空峰值之前传递的上次峰值;信号三级放大电路(4)将信号进行三级放大后输出至比较电路(5);前置放大电路(2)输出与峰值调整与传递电路(3)输出通过比较电路(5)进行比较,比较结果控制比较电路(5)将信号三级放大电路(4)输出进行过零比较,检测到超声波脉冲后输出至计算机接口及控制电路(1);预先估计的超声波脉冲结束之后,峰值调整与传递电路(3)将之前保存的峰值输出。
    2: 根据权利要求1所述的一种用于时差法超声波气体流量计的信号检测电路,其特征在于:所述的计算机接口及控制电路(1)包括接线端子(J1),接线端子(J1)通过排线分别与计算机的地,+5V、-5V电源,以及时序控制信号CTRL0和CTRL1、时序使能信号EN和计算机连接;时序控制信号CTRL01、CTRL分别与译码器(U1)的编码输入端A、B连接,时序使能信号EN与译码器(U1)的使能端G1连接,计算机接收的超声波脉冲到达信号与比较电路(5)的输出端连接;译码器(U1)的编码输入端C、使能端G2A、G2B接地,译码器(U1)的译码输出端Y0-Y4分别通过第一反相器(U2A)、第二反相器(U2B)、第三反相器(U2C)和第四反相器(U2D)与峰值调整与传递电路(3)连接。
    3: 根据权利要求1所述的一种用于时差法超声波气体流量计的信号检测电路,其特征在于:所述的前置放大电路(2)包括第一放大器(U3A),第一放大器(U3A)的同相输入端通过第一电阻(R1)接地,第一放大器(U3A)的反相输入端通过第二电阻(R2)与信号源连接;第一放大器(U3A)的输出端通过第三电阻(R3)与第一放大器(U3A)的反相输入端连接;第一二极管(D1)的负极接地,第一二极管(D1)的正极与第一放大器(U3A)的反相输入端连接;第二二极管(D2)的正极接地,第二二极管(D2)的负极与第一放大器(U3A)的反相输入端连接;第一放大器(U3A)的输出端通过第五电阻(R5)与第二放大器(U3B)的反相输入端相连,第二放大器(U3B)的同相输入端通过第四电阻(R4)接地;第二放大器(U3B)的输出端通过第六电阻(R6)与第二放大器(U3B)的反相输入端相连,第二放大器(U3B)的输出端与峰值调整与传递电路(3)连接。用于将传感器输出的信号初步放大,以满足峰值调整与传递电路(3)峰值保存和比较电路(5)比较的要求。
    4: 根据权利要求3所述的一种用于时差法超声波气体流量计的信号检测电路,其特征在于:所述采用的第一放大器(U3A)、第二放大器(U3B)的输入阻抗大于等于10 12 Ω,增益带宽积大于等于10MHz,等效输入噪声小于等于 。用于对较高频率超声波信号的放大。
    5: 根据权利要求1所述的一种用于时差法超声波气体流量计的信号检测电路,其特征 在于:所述的峰值调整与传递电路(3)包括第一模拟开关(U5A)、第二模拟开关(U5B)、第三模拟开关(U5C)和第四模拟开关(U5D);第一模拟开关(U5A)、第二模拟开关(U5B)、第三模拟开关(U5C)和第四模拟开关(U5D)的控制端分别与计算机接口及控制电路(1)的输出端T1、T2、T3和T4连接;第三放大器(U4A)的同相输入端通过第一模拟开关(U5A)与前置放大电路(2)的输出端连接,第三放大器(U4A)的同相输入端通过第七电阻(R7)接地;第三二极管(D3)的正极与第三放大器(U4A)的反相输入端连接,第三二极管(D3)的负极与第四放大器(U4A)的输出端连接; 第四二极管(D4)的正极与第三放大器(U4A)的输出端连接,第四二极管(D4)的负极通过串联的第九电阻(R9)、第八电阻(R8)与第四二极管(D4)的反相输入端连接,第四二极管(D4)的负极还与第五二极管(D5)的正极连接;第五二极管(D5)的负极与第十电阻(R10)的一端连接,第十电阻(R10)的另一端分别通过第一电容(C1)、第二模拟开关(U5B)接地; 第五二极管(D5)的负极通过第十一电阻(R11)与第四放大器(U4B)的同相输入端连接,第四放大器(U4B)的输出端与第四放大器(U4B)的反相输入端连接;第五放大器(U6A)的同相输入端通过第三模拟开关(U5C)与第四放大器(U4B)的输出端连接; 第五放大器(U6A)的同相输入端通过第十二电阻(R12)接地,第六二极管(D6)的正极与第五放大器(U6A)的反相输入端连接,第六二极管(D6)的负极与第五放大器(U6A)的输出端连接; 第七二极管(D7)的正极与第五放大器(U6A)的输出端连接,第七二极管(D7)的负极通过串联的第十四电阻(R14)、第十三(R13)与第五放大器(U6A)的反相输入端连接,第七二极管(D7)的负极还与第八二极管(D8)的正极连接; 第八二极管(D8)的负极与第十五电阻(R15)的一端连接,第十五电阻(R15)的另一端分别通过第二电容(C2)、第四模拟开关(U5D)接地;第八二极管(D8)的负极还通过第十六电阻(R16)与第六放大器(U6B)的同相输入端连接; 第六放大器(U6B)的输出端与第六放大器(U6B)的反相输入端连接;第六放大器(U6B)的输出端与比较电路(5)连接。 用于将前置放大电路(2)在上一个信号周期接收到的信号峰值传递至比较电路(5),并将本信号周期接收到的信号峰值保存,供下一个信号周期使用。
    6: 根据权利要求5所述的一种用于时差法超声波气体流量计的信号检测电路,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)的输入阻抗大于等于10 12 Ω,增益带宽积大于等于10MHz,等效输入噪声小于等于 。
    7: 根据权利要求1所述的一种用于时差法超声波气体流量计的脉冲检测电路,其特征在于:所述的信号三极放大电路(4)包括第七放大器(U7A),第七放大器(U7A)的同相输入端通过第十七电阻(R17)接地,第七放大器(U7A)的反相输入端通过第十八电阻(R18)与前置放大电路(2)输出端连接;第七放大器(U7A)的输出端通过第十九电阻(R19)与第七放大器(U7A)的反相输入端连接,第七放大器(U7A)的输出端还通过第二十电阻(R20)与比较电路(5)连接。
    8: 根据权利要求7所述的一种用于时差法超声波气体流量计的信号检测电路,其特 征在于:所述采用的第七放大器(U7A)的输入阻抗大于等于10 12 Ω,增益带宽积大于等于10MHz,等效输入噪声小于等于 。用于对较高频率超声波信号的放大。
    9: 根据权利要求1所述的一种用于时差法超声波气体流量计的脉冲检测电路,其特征在于:所述的比较电路(5)包括比较器(U8),比较器(U8)通道A的控制端接地,比较器(U8)通道A的同相输入端与前置放大电路(2)的输出端连接,比较器(U8)通道A的反相输入端与峰值调整与传递电路(3)的输出端连接,比较器(U8)通道A的同相输出端与单稳态触发器(U9A)同相输入端连接,单稳态触发器(U9A)的定时端RC通过第二十一电阻(R21)接+5V电源,单稳态触发器(U9A)的定时端RC通过第三电容(C3)与单稳态触发器(U9A)的定时端C连接;单稳态触发器(U9A)的反相输入端与清零端接+5V电源,单稳态触发器(U9A)的反相输出端与比较器(U8)通道B的控制端连接;比较器(U8)通道B的反相输入端与信号三极放大电路(4)的输出端连接,比较器(U8)通道B的同相输入端接地,比较器(U8)通道B的同相输出端与计算机接口及控制电路(1)连接。
    10: 根据权利要求9所述的用于时差法超声波气体流量计的信号检测电路,其特征在于:所述比较器(U8)的共模抑制比不小于80dB,传输延迟不大于16ns,差分传输延迟不大于5ns。

    说明书


    一种用于时差法超声波气体流量计的脉冲检测电路

        【技术领域】

        本发明涉及一种用于时差法超声波气体流量计的脉冲检测电路,用于检测超声波换能器接收到的超声波信号,并在检测到所需要脉冲时输出超声波脉冲到达信号。

        背景技术

        超声波气体流量计用于气体传输管道中的流量计量,主要应用于天然气管道及工业气体管道中,可分为多普勒式与时差法式等。采用时差法的超声波气体流量计,通过一对超声波传感器,分别测量两者之间顺流(相对于气体流动方向)与逆流时的超声波传播时间,可以计算出该管段内声速、气体流速、气体流量等参数。对于采用时差法测量的超声波气体流量计,准确地测量超声波传播时间是最为重要的,在超声波发射时刻已知的前提下,只需要给出准确的超声波到达时刻即可。由于气流湍流、气体中杂质、管道震动及阀门开关、超声波在管道内的反射等原因,接收到的超声波信号通常存在着波形畸变及峰值变化,因此,不能通过将信号直接通过与固定电压比较确定超声波到达时刻,一般采用的是过零比较。将放大后信号与阈值电压的比较结果作为过零比较控制信号,将过零比较器的输出作为信号到达标志。

        为防止信号幅值变化过大,导致过零比较控制信号前后跳动数个周期,常用的方法是自动增益控制,以检测上一个发射周期收到的信号峰值作为下一个周期接收信号放大增益调整的依据,以使放大后的信号峰值只有小范围的波动。此方法通过AD转换器、计算机、DA转换器及压控增益放大电路构成。由计算机对上一个发射周期信号进行AD采样,将其峰值与系统预设的进行对比,确定下一周期的信号放大倍数,并通过DA输出相应的控制电压至压控增益放大电路,以实现自动增益控制。因此,自动增益控制需要专门编写软件进行AD采样,并在采样后确定下次增益,并输出至DA,增加了系统时间开销,特别是对于只采用了单片机系统的小型流量计,系统时间开销及AD所需要的存储空间都占用了较多的资源,而且对软件可靠性有很高要求;另一方面,在AD及DA转换过程中,必然会伴随着精度损失,从而直接影响了自动增益后的信号峰值波动,甚至会导致峰值波动过大,使过零比较控制信号跳动数个周期,违背了使用该方法的初衷;而如果无限制地采用高精度AD/DA,则成本与电路规模将会很大,在很多场合是无法接受的。

        综上所述,现有的应用于时差法超声波气体流量计超声波检测电路,存在着电路比较复杂、软件开销大、对软件可靠性要求高的固有问题,同时对于控制精度与成本互相制约的矛盾,也是很难克服的。

        【发明内容】

        发明目的:本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种用于时差法超声波气体流量计的脉冲检测电路,其采用了峰值传递方法,根据信号峰值的变化,自动改变用于产生过零比较控制信号的比较电平,在提高了超声波信号检测的准确性和时间精度,减小了低信噪比对测量结果的影响,同时,响应速度快,结构简单,成本低,且除开关信号外无需软件支持,使用方便,精确度高。

        技术方案:为了解决上述技术问题,本实用新型采用了如下的技术方案:

        一种用于时差法超声波气体流量计的脉冲检测电路,其特征在于:它包括计算机接口及控制电路、前置放大电路、峰值调整与传递电路、信号三级放大电路和比较电路;所述的前置放大电路分别与峰值调整与传递电路、信号三级放大电路电连接,所述的前置放大电路、峰值调整与传递电路和信号三级放大电路分别通过比较电路与计算机接口及控制电路电连接;由计算机接口及控制电路输入的同步信号控制电路工作时序,在预先估计的超声波脉冲到达接收传感器之前,提前清空峰值传递与比较电路所保存的峰值;前置放大电路将传感器输出的信号前置放大后输出至峰值调整与传递电路与信号三级放大电路;峰值调整与传递电路将峰值保存,其输出为清空峰值之前传递的上次峰值;信号三级放大电路将信号进行三级放大后输出至比较电路;前置放大电路输出与峰值调整与传递电路输出通过比较电路进行比较,比较结果控制比较电路将信号三级放大电路输出进行过零比较,检测到超声波脉冲后输出至计算机接口及控制电路;预先估计的超声波脉冲结束之后,峰值调整与传递电路将之前保存的峰值输出。

        其中,所述的计算机接口及控制电路包括接线端子,接线端子通过排线分别与计算机的地,+5V、-5V电源,以及时序控制信号CTRL0和CTRL1、时序使能信号EN和计算机连接;时序控制信号CTRL01、CTRL分别与译码器的编码输入端A、B连接,时序使能信号EN与译码器的使能端G1连接,计算机接收的超声波脉冲到达信号与比较电路的输出端连接;译码器地编码输入端C、使能端G2A、G2B接地,译码器的译码输出端Y0-Y4分别通过第一反相器、第二反相器、第三反相器和第四反相器与峰值调整与传递电路连接。

        其中,所述的前置放大电路包括第一放大器,第一放大器的同相输入端通过第一电阻接地,第一放大器的反相输入端通过第二电阻与信号源连接;第一放大器的输出端通过第三电阻与第一放大器的反相输入端连接;第一二极管的负极接地,第一二极管的正极与第一放大器的反相输入端连接;第二二极管的正极接地,第二二极管的负极与第一放大器的反相输入端连接;第一放大器的输出端通过第五电阻与第二放大器的反相输入端相连,第二放大器的同相输入端通过第四电阻接地;第二放大器的输出端通过第六电阻与第二放大器的反相输入端相连,第二放大器的输出端与峰值调整与传递电路连接。用于将传感器输出的信号初步放大,以满足峰值调整与传递电路峰值保存和比较电路比较的要求。

        所述采用的第一放大器、第二放大器的输入阻抗大于等于1012Ω,增益带宽积大于等于10MHz,等效输入噪声小于等于用于对较高频率超声波信号的放大。

        所述的峰值调整与传递电路包括第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关和第四模拟开关;第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关和第四模拟开关的控制端分别与计算机接口及控制电路的输出端T1、T2、T3和T4连接;第三放大器的同相输入端通过第一模拟开关与前置放大电路的输出端连接,第三放大器的同相输入端通过第七电阻接地;第三二极管的正极与第三放大器的反相输入端连接,第三二极管的负极与第四放大器的输出端连接;第四二极管的正极与第三放大器的输出端连接,第四二极管的负极通过串联的第九电阻、第八电阻与第四二极管的反相输入端连接,第四二极管的负极还与第五二极管的正极连接;第五二极管的负极与第十电阻的一端连接,第十电阻的另一端分别通过第一电容、第二模拟开关接地;第五二极管的负极通过第十一电阻与第四放大器的同相输入端连接,第四放大器的输出端与第四放大器的反相输入端连接;第五放大器的同相输入端通过第三模拟开关与第四放大器的输出端连接;第五放大器的同相输入端通过第十二电阻接地,第六二极管的正极与第五放大器的反相输入端连接,第六二极管的负极与第五放大器的输出端连接;第七二极管的正极与第五放大器的输出端连接,第七二极管的负极通过串联的第十四电阻、第十三与第五放大器的反相输入端连接,第七二极管的负极还与第八二极管的正极连接;第八二极管的负极与第十五电阻的一端连接,第十五电阻的另一端分别通过第二电容、第四模拟开关接地;第八二极管的负极还通过第十六电阻与第六放大器的同相输入端连接;第六放大器的输出端与第六放大器的反相输入端连接;第六放大器的输出端与比较电路连接。用于将前置放大电路在上一个信号周期接收到的信号峰值传递至比较电路,并将本信号周期接收到的信号峰值保存,供下一个信号周期使用。

        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输入阻抗大于等于1012Ω,增益带宽积大于等于10MHz,等效输入噪声小于等于

        所述的信号三极放大电路包括第七放大器,第七放大器的同相输入端通过第十七电阻接地,第七放大器的反相输入端通过第十八电阻与前置放大电路输出端连接;第七放大器的输出端通过第十九电阻与第七放大器的反相输入端连接,第七放大器的输出端还通过第二十电阻与比较电路连接。

        所述采用的第七放大器的输入阻抗大于等于1012Ω,增益带宽积大于等于10MHz,等效输入噪声小于等于用于对较高频率超声波信号的放大。

        所述的比较电路包括比较器,比较器通道A的控制端接地,比较器通道A的同相输入端与前置放大电路的输出端连接,比较器通道A的反相输入端与峰值调整与传递电路的输出端连接,比较器通道A的同相输出端与单稳态触发器同相输入端连接,单稳态触发器的定时端RC通过第二十一电阻接+5V电源,单稳态触发器的定时端RC通过第三电容与单稳态触发器的定时端C连接;单稳态触发器的反相输入端与清零端接+5V电源,单稳态触发器的反相输出端与比较器通道B的控制端连接;比较器通道B的反相输入端与信号三极放大电路的输出端连接,比较器通道B的同相输入端接地,比较器通道B的同相输出端与计算机接口及控制电路连接。所述比较器的共模抑制比不小于80dB,传输延迟不大于16ns,差分传输延迟不大于5ns。

        工作原理:在计算机程序的控制下,检测电路根据所接收到的超声波信号峰值变化自动调整比较电平,在检测到所需要脉冲时输出超声波脉冲到达信号至计算机,供计算机计算超声波传播时间用。

        有益效果:(1)本发明采用了峰值传递方法,根据信号峰值的变化,自动改变用于产生过零比较控制信号的比较电平,避免了增益控制所需要的复杂控制,使电路结构非常简单。(2)不需采用AD/DA转换,避免了转换过程中产生的精度损失以及成本及精度之间平衡的矛盾。(3)所有功能电路均采用硬件电路直接搭建而成,无需要软件支持,响应速度快,方便调试,且适应性广。(4)采用高输入阻抗,高增益带宽积、低噪声的运算放大器组成三级放大器,实现对宽频带内尤其是高频率信号的等比例放大,使得该电路适应不同频率的空气超声信号放大,对于大功率超声信号,上限频率可以达到1MHz,一般超声信号实用上限频率可以达到500KHz。(5)本发明采用市场上较容易采购的简单集成电路组成,结构简单合理,成本低于同等性能的增益控制电路,且调试方便,可靠性高。

        【附图说明】

        图1为本发明的结构框图。

        图2为本发明控制信号时序图

        图3为本发明的计算机接口及控制电路图。

        图4为本发明的前置放大电路图。

        图5为本发明的峰值调整与传递电路图。

        图6为本发明的信号三级放大电路图。

        图7为本发明的比较电路图。

        具体实施方式:

        下面结合附图对本发明做更进一步的说明。

        如图1所示,本发明的一种用于时差法超声波气体流量计的信号检测电路,包括计算机接口及控制电路1,前置放大电路2,峰值调整与传递电路3,信号三级放大电路4和比较电路5。所述的前置放大电路2分别与峰值调整与传递电路3、信号三级放大电路4电连接,所述的前置放大电路2、峰值调整与传递电路3和信号三级放大电路4分别通过比较电路5与计算机接口及控制电路1电连接;由计算机接口及控制电路1输入的同步信号控制电路工作时序,在预先估计的超声波脉冲到达接收传感器之前,提前清空峰值传递与比较电路5所保存的峰值;前置放大电路2将传感器输出的信号前置放大后输出至峰值调整与传递电路3与信号三级放大电路4;峰值调整与传递电路3将峰值保存,其输出为清空峰值之前传递的上次峰值;信号三级放大电路4将信号进行三级放大后输出至比较电路5;前置放大电路2输出与峰值调整与传递电路3输出通过比较电路5进行比较,比较结果控制比较电路5将信号三级放大电路4输出进行过零比较,检测到超声波脉冲后输出至计算机接口及控制电路1;预先估计的超声波脉冲结束之后,峰值调整与传递电路3将之前保存的峰值输出。

        如图3所示,所述的计算机接口及控制电路1包括同步控制信号、检测结果输出信号接口和开关信号电路。电源为±5V,用于为本装置所有电路提供检测电路所需的电源;同步控制信号为2位,根据图2所示的时序图,经74LS138译码后控制各开关电路的通断。所述的计算机接口及控制电路1包括接线端子J1,如可用型号为SIP9的接线端子。接线端子J1通过排线分别与计算机的地,+5V、-5V电源,以及时序控制信号CTRL0和CTRL1、时序使能信号EN和计算机连接;时序控制信号CTRL01、CTRL分别与译码器U1的编码输入端A、B连接,时序使能信号EN与译码器U1的使能端G1连接,计算机接收的超声波脉冲到达信号与比较电路5的输出端连接。译码器U1的型号为74LS138。译码器U1的编码输入端C、使能端G2A、G2B接地,译码器U1的译码输出端Y0-Y4分别通过第一反相器U2A、第二反相器U2B、第三反相器U2C和第四反相器U2D与峰值调整与传递电路3连接,所述的四个反相器的型号为74LS04。

        计算机接口及控制电路1用于连接计算机提供的电路工作电源和控制信号,控制峰值调整与传递电路3的工作时序,并将电路的输出端连接至计算机。

        如图4所示,前置放大电路2用于将传感器输出的信号初步放大,它包括第一级放大电路与第二级放大电路,用于对微小超声波信号进行初步放大,使其以满足峰值调整与传递电路3峰值保存和比较电路5比较的要求。两级放大电路均由集成运算放大器组成。

        所述的前置放大电路2包括第一放大器U3A,第一放大器U3A的同相输入端通过第一电阻R1接地,第一放大器U3A的反相输入端通过第二电阻R2与信号源,即接收传感器连接;第一放大器U3A的输出端通过第三电阻R3与第一放大器U3A的反相输入端连接;第一二极管D1的负极接地,第一二极管D1的正极与第一放大器U3A的反相输入端连接;第二二极管D2的正极接地,第二二极管D2的负极与第一放大器U3A的反相输入端连接;第一放大器U3A的输出端通过第五电阻R5与第二放大器U3B的反相输入端相连,第二放大器U3B的同相输入端通过第四电阻R4接地;第二放大器U3B的输出端通过第六电阻R6与第二放大器U3B的反相输入端相连,第二放大器U3B的输出端与峰值调整与传递电路3连接。

        如图5所示,所述的峰值调整与传递电路3包括开关电路、峰值放大电路、峰值传递电路和电容充放电电路。由计算机接口及控制电路1控制开关电路的通断,分别实现对保存峰值电容的充放电,以及峰值传递电容的充放电。峰值保存电容和峰值传递电容的充电和输出均由集成运算放大器组成,其中充电电路为放大电路,输出电路为跟随器电路。

        所述的峰值调整与传递电路3包括第一模拟开关U5A、第二模拟开关U5B、第三模拟开关U5C和第四模拟开关U5D,如可用型号为CD4066的模拟开关;第一模拟开关U5A、第二模拟开关U5B、第三模拟开关U5C和第四模拟开关U5D的控制端分别与计算机接口及控制电路1的输出端T1、T2、T3和T4连接;第三放大器U4A的同相输入端通过第一模拟开关U5A与前置放大电路2的输出端连接,第三放大器U4A的同相输入端通过第七电阻R7接地;第三二极管D3的正极与第三放大器U4A的反相输入端连接,第三二极管D3的负极与第四放大器U4A的输出端连接。

        第四二极管D4的正极与第三放大器U4A的输出端连接,第四二极管D4的负极通过串联的第九电阻R9、第八电阻R8与第四二极管D4的反相输入端连接,第四二极管D4的负极还与第五二极管D5的正极连接;第五二极管D5的负极与第十电阻R10的一端连接,第十电阻R10的另一端分别通过第一电容C1、第二模拟开关U5B接地。

        第五二极管D5的负极通过第十一电阻R11与第四放大器U4B的同相输入端连接,第四放大器U4B的输出端与第四放大器U4B的反相输入端连接;第五放大器U6A的同相输入端通过第三模拟开关U5C与第四放大器U4B的输出端连接。

        第五放大器U6A的同相输入端通过第十二电阻R12接地,第六二极管D6的正极与第五放大器U6A的反相输入端连接,第六二极管D6的负极与第五放大器U6A的输出端连接。

        第七二极管D7的正极与第五放大器U6A的输出端连接,第七二极管D7的负极通过串联的第十四电阻R14、第十三R13与第五放大器U6A的反相输入端连接,第七二极管D7的负极还与第八二极管D8的正极连接。

        第八二极管D8的负极与第十五电阻R15的一端连接,第十五电阻R15的另一端分别通过第二电容C2、第四模拟开关U5D接地;第八二极管D8的负极还通过第十六电阻R16与第六放大器U6B的同相输入端连接。

        第六放大器U6B的输出端与第六放大器U6B的反相输入端连接;第六放大器U6B的输出端与比较电路5连接。

        峰值调整与传递电路3用于将前置放大电路2在上一个信号周期接收到的信号峰值传递至比较电路5,并将本信号周期接收到的信号峰值保存,供下一个信号周期使用。

        如图6所示,信号三级放大电路4由集成运算放大器组成。所述的信号三极放大电路4包括第七放大器U7A,第七放大器U7A的同相输入端通过第十七电阻R17接地,第七放大器U7A的反相输入端通过第十八电阻R18与前置放大电路2输出端连接;第七放大器U7A的输出端通过第十九电阻R19与第七放大器U7A的反相输入端连接,第七放大器U7A的输出端还通过第二十电阻R20与比较电路5连接。

        信号三极放大电路4用于将前置放大电路2初步放大的信号进一步放大,以满足比较电路5过零比较的要求。

        如图7所示,比较电路5包括高速比较电路和单稳态触发器电路。峰值调整与传递电路3的输出与前置放大电路2输出的信号同时接入高速比较电路通道A进行比较,产生的比较结果经单稳态触发器延时后控制高速比较器通道B,将信号三级放大电路输出的信号进行过零比较,产生最终检测结果输出至计算机接口及控制电路1。采用的双通道比较器共模抑制比不小于80dB,传输延迟不大于16ns,差分传输延迟不大于5ns。所述的单稳态电路输出时间范围可以由第二十一电阻R21与第三电容C3调整,作为高速比较电路通道B打开的时间窗口;用于控制准确打开过零比较的时间窗口,尽量减小干扰信号对比较结果的影响。

        所述的比较电路5包括比较器U8,比较器U8的型号为MAX912。比较器U8通道A的控制端接地,比较器U8通道A的同相输入端与前置放大电路2的输出端连接,比较器U8通道A的反相输入端与峰值调整与传递电路3的输出端连接,比较器U8通道A的同相输出端与单稳态触发器U9A同相输入端连接,单稳态触发器U9A的型号为CD4538。单稳态触发器U9A的定时端RC通过第二十一电阻R21接+5V电源,单稳态触发器U9A的定时端RC通过第三电容C3与单稳态触发器U9A的定时端C连接;单稳态触发器U9A的反相输入端与清零端接+5V电源,单稳态触发器U9A的反相输出端与比较器U8通道B的控制端连接;比较器U8通道B的反相输入端与信号三极放大电路4的输出端连接,比较器U8通道B的同相输入端接地,比较器U8通道B的同相输出端与计算机接口及控制电路1连接。比较电路5用于根据上周期峰值与本周期信号比较的结果,控制对信号三级放大电路4进行过零比较的时间窗口,在时间窗口内输出过零比较结果,作为整个电路检测结果。

        本发明所采用的运算放大器输入阻抗为1012Ω,增益带宽积为10MHz。在实际操作时,等效输入噪声的频率为10Hz时噪声不高于等效输入噪声的频率为10KHz时噪声不高于如可用型号为TLE2072的运算放大器。用于对较高频率超声波信号的放大。

        图3-图7所示的为一只超声波传感器所配套的检测电路,一套完整的系统包括计算机,一对收发两用超声波传感器及其配套的发射电路,和两套图3-图7所示的检测电路。

        电路工作时序图如图2所示。这里采用第二传感器P2发射,第一传感器P1接收,以传感器P1的检测电路为例说明工作时序。计算机接口及控制电路1中接线端子J1通过排线与计算机相应端子连接,前置放大电路2的输入端与第一传感器P1信号端连接;T1-T4分别为图3所示电路图中的4路模拟开关的控制信号。高电平为打开模拟开关,低电平为关闭模拟开关。第一模拟开关U5A的控制T1信号上升沿的时刻为t0,t0时刻前峰值传递电路的状态为:第一电容C1保存前一周期信号峰值,并已传递至第二电容C2保存,再输出到高速比较器电路通道A,所有模拟开关均为关闭状态。图中第一传感器P1与第二传感器P2所示方波为两传感器发射脉冲示意,幅值较小的包络为接收到信号示意。

        当第二传感器P2发射超声波信号时,由T1信号打开第一模拟开关U5A,使第一电容C1对地放电,清空峰值;根据事先粗略计算的超声波传播时间,控制T2信号提前打开第二模拟开关U5B,并关闭第一模拟开关U5A,使稍后到达的超声波信号在经过前置放大电路2放大后对第一电容C1充电,保存峰值;与此同时,经前置放大后的该超声波信号输出到高速比较电路通道A,与前述t0时刻前已输出至高速比较电路通道A的峰值信号进行比较,当峰值信号大于超声波信号时,高速比较器电路输出低电平,从而控制高速比较电路通道B关闭,当峰值信号小于超声波信号时,高速比较器电路输出高电平,经单稳态电路展宽,控制高速比较电路通道B打开的时间窗口,使信号三级放大电路3的输出进行过零比较,并将比较结果由计算机接口及控制电路1输出至计算机。此后,第二电容C2中的峰值已无效,由T3打开第三模拟开关U5C,对第二电容C2进行放电,并在放电完毕后,关闭第三模拟开关U5C,打开第四模拟开关U5D,将此前对第一电容C1充电保存的峰值传递至第二电容C2,并输出到高速比较器电路通道A供下次比较用。

        在应用到具体流量计时,一套完整的时差法超声波气体流量计系统至少包括一对收发两用超声波传感器,一对分别与对应传感器相连的检测电路,一台控制计算机;由计算机控制传感器发射超声波,并控制检测电路进行检测,并监测检测电路的检测结果,用于计算流量。一个完整的信号发射与检测周期包括:计算机控制第一传感器P1发射超声波脉冲并开始计时,控制第二传感器P2连接的检测电路检测,在第二传感器P2连接的检测电路检测到超声波脉冲后,记录超声波传播时间;然后控制第二传感器P2发射超声波脉冲并开始计时,控制第二传感器P1连接的检测电路检测,在第二传感器P1连接的检测电路检测到超声波脉冲后,记录超声波传播时间;将这两个传播时间用于计算流量并重复上述过程。

        考虑到一对超声波传感器发射信号与接收信号的对称性,可以将电路工作过程人为地分为两个部分:当第二传感器P2发射,第一传感器P1接收时,P1检测电路上的第一电容C1清零并充电保存峰值(由P1检测电路上的T1、T2信号控制),P2检测电路上的第二电容C2清零并传递峰值(由P2检测电路上的T3、T4信号控制);当第一传感器P1发射,第二传感器P2接收时,P2检测电路上的第一电容C1清零并充电保存峰值(由P2检测电路上的T1、T2信号控制),P1检测电路上的第二电容C2清零并传递峰值(由P1检测电路上的T3、T4信号控制)。即,(1)第二传感器P2发射脉冲时,打开第一传感器P1检测电路的第一模拟开关U5A,和第二传感器P2检测电路的第三模拟开关U5C;(2)经粗略计算,第一传感器P1要接收到脉冲时,打开第一传感器P1检测电路的第二模拟开关U5B,和第二传感器P2检测电路的第四模拟开关U5D;(3)第一传感器P1发射脉冲时,打开第一传感器P1检测电路的第三模拟开关U5C,和第二传感器P2检测电路的第一模拟开关U5A;(4)第二传感器P2要接收到脉冲时,打开第一传感器P1检测电路的第四模拟开关U5D,和第二传感器P2检测电路的第二模拟开关U5B。

        选择电路参数时,前置放大电路2每级放大倍数根据脉冲频率与传播距离确定,使信号幅度满足峰值调整与传递电路3保存峰值的要求,又不会因为饱和放大而丢失峰值信息。一般5V电压驱动的传感器,发射40KHz脉冲传播0.5m时,每级放大倍数约为20-50。峰值调整与传递电路3中的第一电容C1与第二电容C2会经过模拟开关及放大器漏电,因此,两个放大电路的放大倍数,使峰值既在传递过程中不会饱和,又能满足在与前置放大电路2输出的信号进行比较时,可以准确地在所选择的脉冲处两者电压相等的需要,总放大倍数一般略大于1。信号三级放大电路4的放大倍数,只需要使信号能能够饱和放大即可,既满足过零比较的要求,又不会使噪声过大。单稳态触发器电路的延时可由第二十一电阻R21与第三电容C3调整,使延时时间窗口刚好在接收信号时打开,防止输出错误信号。

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    一种 用于 时差 超声波 气体 流量计 脉冲 检测 电路
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