江蘇金鼎自動化儀表有限公司 ：姚佳明
隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，冶金、化工等各部門對氣體大流量的準(zhǔn)確測量要求日益迫切，為了滿足氣體流量測量準(zhǔn)確度不斷提高的要求，超聲波氣體流量計(jì)被廣泛應(yīng)用于氣體流量的檢測與標(biāo)定中。在超聲波氣體流量計(jì)的測量方法中應(yīng)用zui廣泛的是時(shí)差法。時(shí)差法超聲波氣體流量計(jì)是通過測量超聲波信號在流體中順流和逆流傳播時(shí)間之差來計(jì)算氣體流速的，它具有準(zhǔn)確度高、非接觸測量、寬量程、無壓力損失、安裝使用簡單等特點(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(jì)中的自動增益控制電路的設(shè)計(jì)。
一、超聲波流量計(jì)測量原理
時(shí)差法在超聲波氣體流量計(jì)的測量中應(yīng)用。圖1為超聲波傳感器安裝的簡化結(jié)構(gòu)，A與B兩個(gè)傳感器相對于管道軸線的安裝角為θ，管徑為D，兩個(gè)傳感器之間的距離為L，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Vcosθ的代數(shù)和。
C=C0±Vcosθ（1）
由式（1）可以得到超聲波順流傳播時(shí)間tAB與逆流傳播時(shí)間tBA：
tAB=L/（C0+Vsinθ）（2）
tBA=L/（C0-Vsinθ）（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tAB與tBA就可以得到流速V，避免了求聲速C0的困難，因?yàn)槁曀貱0會隨著流體周圍溫度、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、自動增益控制電路設(shè)計(jì)
在四聲道超聲波流量計(jì)的測量中，由于各個(gè)聲道的長度不同、傳感器的特性存在差異和測量時(shí)氣體流速的變化，導(dǎo)致每次測量時(shí)傳感器接受信號的大小也不同，故需要自動增益控制對接受信號的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度的要求。
自動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(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、電壓調(diào)整電路構(gòu)成。其中單片機(jī)使用的是LPC936芯片，自動增益控制電路中的A/D與D/A電路直接使用LPC936內(nèi)部集成的8位的A/D與D/A轉(zhuǎn)換器。這樣在滿足準(zhǔn)確度的要求下，簡化了電路設(shè)計(jì)。圖2為自動增益控制電路框圖。
1. 自動增益控制芯片VCA810
自動增益控制芯片是自動增益控制電路的關(guān)鍵，其性能的好壞直接影響自動增益控制電路的成敗。這里選用的是TI公司的高增益可調(diào)寬帶壓控放大器VCA810。其特性包括：高增益可調(diào)范圍：±40dB，增益控制準(zhǔn)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的工作原理是通過對其引腳VC施加不同的電壓來控制增益的大小的?？刂齐妷篤C與增益G的函數(shù)關(guān)系式為
G（V/V）=10-2（Vc+1）
G（dB）=-40（VC+1）dB
當(dāng)VC從0V變化到-2V時(shí)，增益從-40dB線性地變化到+40dB。另外，當(dāng)VC電壓超過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。例如印刷板上的導(dǎo)線應(yīng)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VCA810處理后，就進(jìn)入了峰值采樣保持電路。這里采用雙路運(yùn)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(dāng)輸入信號為正時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，電容C25開始充電，隨著C25兩端電壓的增大，輸出電壓Vout也逐漸增大。當(dāng)Vin≤Vout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(dāng)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足下一步A/D采樣的要求。
對峰值電壓AD采樣結(jié)束后，從單片機(jī)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(jī)LPC936實(shí)現(xiàn)。LPC936是一款適合于許多要求高集成度、低成本的場合，可以滿足多方面的性能要求。LPC936采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時(shí)間只需2∼4個(gè)時(shí)鐘周期，6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件。LPC936集成了許多系統(tǒng)級的功能，這樣可大大減少元件的數(shù)目、電路板面積以及系統(tǒng)的成本。其中就含有2個(gè)8位、4路逐步逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，雙D/A轉(zhuǎn)換通道。
來自峰值采樣電路的信號直接接到LPC936的一個(gè)A/D引腳，轉(zhuǎn)換采用單次轉(zhuǎn)換方式，進(jìn)行16次取樣，然后取平均。采樣的A/D數(shù)據(jù)進(jìn)行AGC算法處理，得到D/A輸出的數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，D/A輸出引腳連接到電壓調(diào)整電路進(jìn)行下一步的處理。
4. 電壓調(diào)整電路
電壓調(diào)整電路是為了滿足VCA810控制電壓要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，電壓需要調(diào)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(jī)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(diào)整電路由雙運(yùn)放LM258實(shí)現(xiàn)，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(yùn)放構(gòu)成一個(gè)跟隨器電路，設(shè)計(jì)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(dāng)輸出阻抗很低時(shí)，對后級電路相當(dāng)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(yùn)放構(gòu)成，這樣可以把電壓由（0∼3.3）V調(diào)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(diào)整到（0∼-2）V。調(diào)整后的這個(gè)電壓即可滿足VCA810的控制電壓的范圍要求。
5. AGC算法
AGC算法關(guān)系到自動增益控制能否zui終很好地實(shí)現(xiàn)，AGC算法的目的是把A/D采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過運(yùn)算處理后轉(zhuǎn)成符合D/A輸出的數(shù)據(jù)。這里進(jìn)一步詳細(xì)的解釋算法的實(shí)現(xiàn)。首先由A/D采樣數(shù)據(jù)得進(jìn)入A/D引腳前的峰值電壓，然后計(jì)算增益倍數(shù)，接著計(jì)算AGC控制電壓的大小，zui后求得D/A輸出電壓的數(shù)據(jù)。其中求VC是依據(jù)VCA810中VC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(shù)實(shí)現(xiàn)，設(shè)Vn為進(jìn)入A/D引腳前的峰值電壓，VS為設(shè)定好的標(biāo)準(zhǔn)峰值電壓，VC為VCA810的控制電壓，AD_RESULT為A/D采樣的數(shù)據(jù)，DA_RESULT為D/A口要輸出的數(shù)據(jù)。具體的函數(shù)實(shí)現(xiàn)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(shù)
Vn=3.3*AD_RESULT/256；//得當(dāng)前進(jìn)入A/D引腳前的峰值電壓
G=Vs/Vn；//得AGC增益倍數(shù)
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(jié)
本文研究了四聲道超聲波氣體流量計(jì)自動增益控制電路的設(shè)計(jì)，試驗(yàn)表明該電路達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，電路可以穩(wěn)定地工作。自動增益控制電路的實(shí)現(xiàn)保證了信號的穩(wěn)定性，為下一步信號處理電路如電壓比較器電路、計(jì)時(shí)電路、糾錯(cuò)電路的設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)，也保證了四聲道超聲波氣體流量計(jì)的zui終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。
會員1.png)