跟着公民经济的敏捷成长，冶金、化工等各部分对气体年夜流量的精确测量请求日益急切，为了知足气体流量测量精确度赓续进步的请求，超声波气体流量计被广泛应用于气体流量的检测与标定中。在超声波气体流量计的测量办法中应用最广泛的是时差法。时差法超声波气体流量计是经由过程测量超声波旌旗灯号在流体中顺流和逆流传播时光之差来计算气体流速的，它具有精确度高、非接触测量、宽量程、无压力损掉、安装应用简单等特点，具有很好的前景。本文重要介绍四声道超声波气体流量计中的主动增益控制电路的设计。
一、超声波流量计测量道理
时差法在超声波气体流量计的测量中应用最为广泛。图1为超声波传感器安装的简化构造，A与B两个传感器相对于管道轴线的安装角为θ，管径为D，两个传感器之间的距离为L，超声波在静止流体中的传播速度为C0。
超声波实际的传播速度C为C0与流体在声道偏向上的速度分量Vcosθ的代数和。
C=C0±Vcosθ（1）
由式（1）可以获得超声波顺流传播时光tAB与逆流传播时光tBA：
tAB=L/（C0+Vsinθ）（2）
tBA=L/（C0-Vsinθ）（3）
由式（2）和式（3）清除C0，可得流速：
又L=D/sinθ，代入式（4）可得
这种算法只需测出tAB与tBA就可以获得流速V，避免了求声速C0的艰苦，因为声速C0会跟着流体四周温度、密度等身分产生变更，获得流速V就可以进一步求出流体的流量。
二、主动增益控制电路设计
在四声道超声波流量计的测量中，因为各个声道的长度不合、传感器的特点存在差别和测量时气体流速的变更，导致每次测量时传感器接收旌旗灯号的年夜小也不合，故须要主动增益控制对接收旌旗灯号的年夜小进行调节，以知足体系测量精确度的请求。
主动增益控制电路由增益控制芯片VCA810电路、峰值采样电路、A/D转换电路、单片机控制电路、D/A转换电路、电压调剂电路构成。个中单片机应用的是LPC936芯片，主动增益控制电路中的A/D与D/A电路直接应用LPC936内部集成的8位的A/D与D/A转换器。如许在知足精确度的请求下，简化了电路设计。图2为主动增益控制电路框图。
1. 主动增益控制芯片VCA810
主动增益控制芯片是主动增益控制电路的关键，其机能的短长直接影响主动增益控制电路的成败。这里选用的是TI公司的高增益可调宽带压控放年夜器VCA810。其特点包含：高增益可调范围：±40dB，增益控制精确度：±1.5dB（高精度型号为±0.9dB），差分输入单端输出，不变的增益带宽35MHz，dB/V增益线性度：±0.3dB，增益控制带宽25MHz，低输出DC误差：小于40mV，高输出电流：±60mV，低工作电流24.8mA。
VCA810的工作道理是经由过程对其引脚VC施加不合的电压来控制增益的年夜小的。控制电压VC与增益G的函数关系式为
G（V/V）=10-2（Vc+1）
G（dB）=-40（VC+1）dB
当VC从0V变更到-2V时，增益从-40dB线性地变更到+40dB。别的，当VC电压跨越0V时，增益为-80dB，这实际上就有效地阻断了放年夜器。
为了充分发挥VCA810的机能，要合理构造，精心布线。例如印刷板上的导线应宽而短，减小旌旗灯号和供电回路的电阻和电感；采取优胜的电源去耦办法，去耦电容要用年夜容量的钽电容和无感小电容并联，以获得优胜的去耦后果；不消的管脚尽量接近管壳对地短路等。VCA810电路道理图如图3所示。
2. 峰值采样保持电路
超声波旌旗灯号经由VCA810处理后，就进入了峰值采样保持电路。这里采取双路运算放年夜器TL082构成了正峰值保持电路，其电路道理图如图4所示。其工作道理是当输入旌旗灯号为正时，二极管D2导通，电容C25开端充电，跟着C25两端电压的增年夜，输出电压Vout也逐渐增年夜。当Vin≤Vout时，D2截止，电容C25两端电压保持不变，电路进入保持状况。当电容C25=0.01μF时，C25两端保持电压的降低速度为0.006V/s，热像仪具有多功能,高清晰度及高性能的特点，如许的降低速度可以知足下一步A/D采样的请求。
对峰值电压AD采样停止后，从单片机发出一个高电平的脉冲旌旗灯号至CLR端，即可对C25两端的电压进行清零，清零后可进行下一次的峰值旌旗灯号采样。
3. A/D采样与D/A输出
A/D采样与D/A输出这两部分功能由单片机LPC936实现。LPC936是一款合适于很多请求高集成度、低成本的场合，可以知足多方面的机能请求。LPC936采取了高机能的处理器构造，指令履行时光只需2∼4个时钟周期，6倍于标准80C51器件。LPC936集成了很多体系级的功能，如许可年夜年夜削减元件的数量、电路板面积以及体系的成本。个中就含有2个8位、4路慢慢切近亲近式模数转换模块，双D/A转换通道。
来自峰值采样电路的旌旗灯号直接接到LPC936的一个A/D引脚，转换采取单次转换方法，进行16次取样，然后取平均。采样的A/D数据进行AGC算法处理，获得D/A输出的数据，之落后行D/A转换，D/A输出引脚连接到电压调剂电路进行下一步的处理。
4. 电压调剂电路
电压调剂电路是为了知足VCA810控制电压请求进行设计的，电压须要调剂的原因是VCA810的控制引脚VC的有效范围是（0∼-2）V，而单片机在3.3V供电的情况下D/A引脚的输出电压范围为（0∼3.3）V。电压调剂电路由双运放LM258实现，具体电路道理图如图5所示。工作道理是先由LM258个中的一个运放构成一个跟随器电路，设计跟随器电路的原因是LPC936的D/A输出为高输出阻抗，输出电压受后级电路阻抗的影响年夜，而跟随器特点是高输入阻抗，低输出阻抗，当输出阻抗很低时，对后级电路相当于一个恒压源，输出电压不受后级电路阻抗的影响。跟随器输出旌旗灯号接一个增益为1的反向放年夜器，由LM258别的的一个运放构成，如许可以把电压由（0∼3.3）V调剂到（0∼-3.3）V，然后接一个分压电路，进一步把电压由（0∼-3.3）V调剂到（0∼-2）V。调剂后的这个电压即可知足VCA810的控制电压的范围请求。
5. AGC算法
AGC算法关系到主动增益控制可否最终很好地实现，AGC算法的目标是把A/D采样数据经由运算处理后转成相符D/A输出的数据。这里进一步具体的解释算法的实现。起首由A/D采样数据得进入A/D引脚前的峰值电压，然后计算增益倍数，接着计算AGC控制电压的年夜小，最后求得D/A输出电压的数据。个中求VC是根据VCA810中VC与增益G的关系式：G（V/V）=10-2（Vc+1）。
下面给出具体的函数实现，设Vn为进入A/D引脚前的峰值电压，VS为设定好的标准峰值电压，VC为VCA810的控制电压，AD_RESULT为A/D采样的数据，DA_RESULT为D/A口要输出的数据。具体的函数实现为
voidAGC（）
{
floatVn；//进入A/D引脚前的峰值电压
floatVc；//VCA810控制电压
，超声波流量计是指一种基于超声波在流动介质中传播速度等于被测介质的平均流速与声波在静止介质中速度的矢量和的仪器; floatG；//AGC增益倍数
Vn=3.3*AD_RESULT/256；//合适进步入A/D引脚前的峰值电压
G=Vs/Vn；//得AGC增益倍数
VC=-（log（G）/log（10））/2-1；//得AGC控制电压
DA_RESULT=-128*Vc；//得D/A输出电压
}
三、总结
本文研究了四声道超声波气体流量计主动增益控制电路的设计，实验注解该电路达到了设计请求，电路可以稳定地工作。主动增益控制电路的实现包管了旌旗灯号的稳定性，为下一步旌旗灯号处理电路如电压比较器电路、计时电路、纠错电路的设计打下了优胜的基本，风速仪是测量空气流速的仪器。它的种类较多，气象台站最常用的为风杯风速计，也包管了四声道超声波气体流量计的最终设计实现。
超声波流量计&