江苏金鼎自动化仪表有限公司 ：姚佳明
随着国民经济的迅速发展，冶金、化工等各部门对气体大流量的准确测量要求日益迫切，为了满足气体流量测量准确度不断提高的要求，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方法中应用zui广泛的是时差法。时差法超声波气体流量计是通过测量超声波信号在流体中顺流和逆流传播时间之差来计算气体流速的，它具有准确度高、非接触测量、宽量程、无压力损失、安装使用简单等特点，具有很好的前景。本文主要介绍四声道超声波气体流量计中的自动增益控制电路的设计。
一、超声波流量计测量原理
时差法在超声波气体流量计的测量中应用。图1为超声波传感器安装的简化结构，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与流体在声道方向上的速度分量Vcosθ的代数和。
C=C0±Vcosθ（1）
由式（1）可以得到超声波顺流传播时间tAB与逆流传播时间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
这种算法只需测出tAB与tBA就可以得到流速V，避免了求声速C0的困难，因为声速C0会随着流体周围温度、密度等因素发生变化，得到流速V就可以进一步求出流体的流量。
二、自动增益控制电路设计
在四声道超声波流量计的测量中，由于各个声道的长度不同、传感器的特性存在差异和测量时气体流速的变化，导致每次测量时传感器接受信号的大小也不同，故需要自动增益控制对接受信号的大小进行调节，以满足系统测量准确度的要求。
自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、电压调整电路构成。其中单片机使用的是LPC936芯片，自动增益控制电路中的A/D与D/A电路直接使用LPC936内部集成的8位的A/D与D/A转换器。这样在满足准确度的要求下，简化了电路设计。图2为自动增益控制电路框图。
1. 自动增益控制芯片VCA810
自动增益控制芯片是自动增益控制电路的关键，其性能的好坏直接影响自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大器VCA810。其特性包括：高增益可调范围：±40dB，增益控制准确度：±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的工作原理是通过对其引脚VC施加不同的电压来控制增益的大小的。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变化到-2V时，增益从-40dB线性地变化到+40dB。另外，当VC电压超过0V时，增益为-80dB，这实际上就有效地阻断了放大器。
为了充分发挥VCA810的性能，要合理布局，精心布线。例如印刷板上的导线应宽而短，减小信号和供电回路的电阻和电感；采取良好的电源去耦措施，去耦电容要用大容量的钽电容和无感小电容并联，以获得良好的去耦效果；不用的管脚尽量靠近管壳对地短路等。VCA810电路原理图如图3所示。
2. 峰值采样保持电路
超声波信号经过VCA810处理后，就进入了峰值采样保持电路。这里采用双路运算放大器TL082组成了正峰值保持电路，其电路原理图如图4所示。其工作原理是当输入信号为正时，二极管D2导通，电容C25开始充电，随着C25两端电压的增大，输出电压Vout也逐渐增大。当Vin≤Vout时，D2截止，电容C25两端电压保持不变，电路进入保持状态。当电容C25=0.01μF时，C25两端保持电压的下降速率为0.006V/s，这样的下降速率可以满足下一步A/D采样的要求。
对峰值电压AD采样结束后，从单片机发出一个高电平的脉冲信号至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信号采样。
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是一款适合于许多要求高集成度、低成本的场合，可以满足多方面的性能要求。LPC936采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2∼4个时钟周期，6倍于标准80C51器件。LPC936集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目、电路板面积以及系统的成本。其中就含有2个8位、4路逐步逼近式模数转换模块，双D/A转换通道。
来自峰值采样电路的信号直接接到LPC936的一个A/D引脚，转换采用单次转换方式，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，得到D/A输出的数据，之后进行D/A转换，D/A输出引脚连接到电压调整电路进行下一步的处理。
4. 电压调整电路
电压调整电路是为了满足VCA810控制电压要求进行设计的，电压需要调整的原因是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。电压调整电路由双运放LM258实现，具体电路原理图如图5所示。工作原理是先由LM258其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大，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。跟随器输出信号接一个增益为1的反向放大器，由LM258另外的一个运放构成，这样可以把电压由（0∼3.3）V调整到（0∼-3.3）V，然后接一个分压电路，进一步把电压由（0∼-3.3）V调整到（0∼-2）V。调整后的这个电压即可满足VCA810的控制电压的范围要求。
5. AGC算法
AGC算法关系到自动增益控制能否zui终很好地实现，AGC算法的目的是把A/D采样数据经过运算处理后转成符合D/A输出的数据。这里进一步详细的解释算法的实现。首先由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控制电压的大小，zui后求得D/A输出电压的数据。其中求VC是依据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
floatG；//AGC增益倍数
Vn=3.3*AD_RESULT/256；//得当前进入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自动增益控制电路的设计，试验表明该电路达到了设计要求，电路可以稳定地工作。自动增益控制电路的实现保证了信号的稳定性，为下一步信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良好的基础，也保证了四声道超声波气体流量计的zui终设计实现。
