江蘇金鼎自動化儀表有限公司 ：姚佳明
隨著國民經濟的迅速發(fā)展，冶金、化工等各部門對氣體大流量的準確測量要求日益迫切，為了滿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zui廣泛的是時差法。時差法超聲波氣體流量計是通過測量超聲波信號在流體中順流和逆流傳播時間之差來計算氣體流速的，它具有準確度高、非接觸測量、寬量程、無壓力損失、安裝使用簡單等特點，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增益控制電路的設計。
一、超聲波流量計測量原理
時差法在超聲波氣體流量計的測量中應用。圖1為超聲波傳感器安裝的簡化結構，A與B兩個傳感器相對于管道軸線的安裝角為θ，管徑為D，兩個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的代數和。
C=C0±Vcosθ（1）
由式（1）可以得到超聲波順流傳播時間tAB與逆流傳播時間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，因為聲速C0會隨著流體周圍溫度、密度等因素發(fā)生變化，得到流速V就可以進一步求出流體的流量。
二、自動增益控制電路設計
在四聲道超聲波流量計的測量中，由于各個聲道的長度不同、傳感器的特性存在差異和測量時氣體流速的變化，導致每次測量時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行調節(jié)，以滿足系統(tǒng)測量準確度的要求。
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。這樣在滿足準確度的要求下，簡化了電路設計。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。控制電壓VC與增益G的函數關系式為
G（V/V）=10-2（Vc+1）
G（dB）=-40（VC+1）dB
當VC從0V變化到-2V時，增益從-40dB線性地變化到+40dB。另外，當VC電壓超過0V時，增益為-80dB，這實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。例如印刷板上的導線應寬而短，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
超聲波信號經過VCA810處理后，就進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，二極管D2導通，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Vin≤Vout時，D2截止，電容C25兩端電壓保持不變，電路進入保持狀態(tài)。當電容C25=0.01μF時，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采樣結束后，從單片機發(fā)出一個高電平的脈沖信號至CLR端，即可對C25兩端的電壓進行清零，清零后可進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構，指令執(zhí)行時間只需2∼4個時鐘周期，6倍于標準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目、電路板面積以及系統(tǒng)的成本。其中就含有2個8位、4路逐步逼近式模數轉換模塊，雙D/A轉換通道。
來自峰值采樣電路的信號直接接到LPC936的一個A/D引腳，轉換采用單次轉換方式，進行16次取樣，然后取平均。采樣的A/D數據進行AGC算法處理，得到D/A輸出的數據，之后進行D/A轉換，D/A輸出引腳連接到電壓調整電路進行下一步的處理。
4. 電壓調整電路
電壓調整電路是為了滿足VCA810控制電壓要求進行設計的，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其中的一個運放構成一個跟隨器電路，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，而跟隨器特點是高輸入阻抗，低輸出阻抗，當輸出阻抗很低時，對后級電路相當于一個恒壓源，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增益為1的反向放大器，由LM258另外的一個運放構成，這樣可以把電壓由（0∼3.3）V調整到（0∼-3.3）V，然后接一個分壓電路，進一步把電壓由（0∼-3.3）V調整到（0∼-2）V。調整后的這個電壓即可滿足VCA810的控制電壓的范圍要求。
5. AGC算法
AGC算法關系到自動增益控制能否zui終很好地實現(xiàn)，AGC算法的目的是把A/D采樣數據經過運算處理后轉成符合D/A輸出的數據。這里進一步詳細的解釋算法的實現(xiàn)。首先由A/D采樣數據得進入A/D引腳前的峰值電壓，然后計算增益倍數，接著計算AGC控制電壓的大小，zui后求得D/A輸出電壓的數據。其中求VC是依據VCA810中VC與增益G的關系式：G（V/V）=10-2（Vc+1）。
下面給出具體的函數實現(xiàn)，設Vn為進入A/D引腳前的峰值電壓，VS為設定好的標準峰值電壓，VC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。具體的函數實現(xiàn)為
voidAGC（）
{
floatVn；//進入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；//得當前進入A/D引腳前的峰值電壓
G=Vs/Vn；//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(wěn)定地工作。自動增益控制電路的實現(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、計時電路、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zui終設計實現(xiàn)。
