專利名稱：超聲波流量計(jì)的高輸入阻抗差動(dòng)前置放大器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自動(dòng)化儀表，特別涉及一種超聲波流量計(jì)的高輸入阻抗差動(dòng)前置放大器電路。
背景技術(shù)：
當(dāng)前超聲波流量計(jì)所使用的探頭接口的前置放大電路都使用簡(jiǎn)單的接口電路，無(wú)論該電 路采用分立元件或集成運(yùn)放，它們組成的電路的輸入阻抗一般都不超過(guò)500kQ，并且不調(diào)整 CMRR。這種簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的缺陷主要有三點(diǎn) 一是超聲探頭上有超聲波發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)， 其中的發(fā)射信號(hào)有數(shù)十伏特或數(shù)百伏特，必須用50k 300kQ的保護(hù)電阻降壓，才能保護(hù)前 置放大器；這種保護(hù)電阻將與放大器的輸入阻抗分壓，在很大程度上衰減了超聲探頭輸出的 超聲波接收信號(hào)。二是在前置放大器輸入阻抗大于100kQ時(shí)，又不在放大器的輸入端調(diào)整 CMRR，勢(shì)必使一部分共模干擾信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_信號(hào)，成為后面放大器的放大目標(biāo)，為 流量計(jì)引入很大的干擾誤差，例如市電干擾誤差。三是如果直流輸入阻抗依交流輸入阻抗被 提高以后，將增加前置放大器的時(shí)漂、溫漂的交流干擾幅度。上述三點(diǎn)是當(dāng)前超聲波流量計(jì)產(chǎn)品中始終沒(méi)有解決的問(wèn)題，它們是超聲波流量計(jì)的精度始 終不高的主要原因。 發(fā)明內(nèi)容鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種利用正反饋回路加大前置放大器電路的交 流輸入阻抗，另外又增加CMRR電位器以確保共模信號(hào)的高度衰減，使之成為超聲波流量計(jì) 的高輸入阻抗差動(dòng)前置放大器電路。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是 一種超聲波流量計(jì)的高輸入阻抗差動(dòng)前置 放大器電路，其特征在于包括高壓保護(hù)電路、CMRR調(diào)整電路、集成運(yùn)算放大器，所述的 高壓保護(hù)電路與CMRR調(diào)整電路連接，所述的CMRR調(diào)整電路與集成運(yùn)算放大器連接。本發(fā)明的有益效果是l.利用正反饋回路加大前置放大器電路的交流輸入阻抗，將之提 高到10M 100MQ范圍內(nèi)，以加大與保護(hù)電阻的分壓比，于是放大器輸入端可以從探頭上獲 得90%以上的超聲波輸入信號(hào)。2.在提高交流輸入阻抗的同時(shí)，可以保證較低的直流輸入阻 抗。大約在100k 500kQ范圍之內(nèi)，以減少直流漂移誤差。3.增加CMRR電位器，確保共模 信號(hào)的高度衰減。這種平衡電路設(shè)計(jì)將使CMRR之值增加到60dB以上?？傊?，超聲波流量計(jì)的高輸入阻抗差動(dòng)前置放大器電路，可以從探頭獲得很高的輸入電 壓信號(hào)，卻從探頭中吸取功率甚小，確保測(cè)量精度的提高。


圖1為本發(fā)明應(yīng)用電路圖并作為摘要附圖。 圖2為本發(fā)明原理方框圖。
具體實(shí)施方式
如圖l、 2所示 一種超聲波流量計(jì)的高輸入阻抗差動(dòng)前置放大器電路，還包括高壓保護(hù) 電路，CMRR調(diào)整電路、集成運(yùn)算放大器組成的放大電路，其中高壓保護(hù)電路與CMRR調(diào)整 電路連接，CMRR調(diào)整電路與集成運(yùn)算放大器組成的放大電路連接。高壓保護(hù)電路包括電阻 R,、 Ru、 二極管D!、 D2， CMRR調(diào)整電路包括電位器Ro、電阻R2、 R12，集成運(yùn)算放大器 包括集成運(yùn)放電路A,、 A2、電阻Rg、 R16、 R3、 R4、 Rs、 Ri3、 Ri4、 Ris電容C卜C2，其中輸 入信號(hào)端子V,+通過(guò)電阻R,與二極管D,、 D2反向并聯(lián)一端、電阻R2連接，電阻R2另一端與 電阻R3—端、集成運(yùn)放電路A!的同相輸入端連接，電阻R3另一端與電阻R4、 Rs的一端連 接，電阻R4另一端接地，電阻R5的另一端經(jīng)電容G與集成運(yùn)放電路A!輸出信號(hào)端Vo+連 接，集成運(yùn)放電路Ai輸出信號(hào)端子Vo+通過(guò)電阻R6與集成運(yùn)放電路Ai的反相輸入端連接， 輸入信號(hào)端子Vi—通過(guò)電阻Ru與二極管D!、 D2反向并聯(lián)另一端、電位器Ro連接，電位器Ro另一端通過(guò)電阻R,2與集成運(yùn)放電路A2的同相輸入端、電阻Ru連接，電阻R。另一端與電阻R,4、 R,5的一端連接，電阻Rw另一端接地，電阻R!5的另一端經(jīng)電容C2與集成運(yùn)放電路A2輸出信號(hào)端子V0—連接，集成運(yùn)放電路A2輸出信號(hào)端子V0—通過(guò)電阻R16與集成運(yùn)放電路A2的反相輸入端連接。上述高壓保護(hù)電路兩只阻值在50k 100kQ的電阻R！和Ru與保護(hù)二極管D,和D2組成 串聯(lián)回路形式的限幅電路，防止超聲探頭數(shù)十伏或數(shù)百伏的發(fā)射信號(hào)擊穿運(yùn)放Ai和A2的輸 入回路。二極管D,和D2分別間接與A,和A2的輸入端相聯(lián)，使該入端的最大電壓信號(hào)被限 制在土0.8V以內(nèi)，高壓保護(hù)電路直接或間接與運(yùn)放輸入端相聯(lián)，Di和D2取普通硅二極管。上述電位器Ro與電阻器Ru、 R2共同組成CMRR調(diào)整電路，電位器Ro直接或間接與運(yùn) 放輸入端相聯(lián)，直接相聯(lián)時(shí)，調(diào)整Ro可以改變由A,和A2組成的放大電路的總體阻抗的平衡 性，導(dǎo)致整個(gè)前置放大器的CMRR達(dá)到60dB以上，調(diào)整電位器Ro的阻值，可以改變各個(gè)直 流電阻總體的對(duì)稱平衡性，調(diào)整電路的三個(gè)元件中，電位器Ro取值范圍在30k 100kQ之間 選取，且R2=RQ， R12=0.5Ro，阻值選取的原則，應(yīng)確保整體前置放大器的總的直流輸入阻 抗不超過(guò)500k Q。上述集成運(yùn)算放大器中集成運(yùn)放A!的正反饋回路中置入由電阻器R3、 R4、 Rs和電容Cl 組成的T形網(wǎng)絡(luò)，其中R3、 R4和R5各有一端聯(lián)在一起，它們的另一端中，R4接地，R3接 A,的同相輸入端，Rs接Al的輸出端VO+，集成運(yùn)放A2的正反饋回路中置入由電阻器Rj3、 R14、 R^和電容C2組成的T形網(wǎng)絡(luò)，其中Ru、 1114和1115各有一端聯(lián)在一起，它們的另一端中，R,4接地，Ru接A2的同相輸入端，R!5接A2的輸出端Vo—，交流耦合電容d和C2取值為0.01 u 0.1 u F，T形網(wǎng)絡(luò)組成放大器直流輸入阻抗Ri的一部分-Ri二2(R,+R2+R3+R4)S500kQ (1)T形網(wǎng)絡(luò)與其它元件組成放大器交流輸入阻抗為r產(chǎn)2(R,+R2+2nfo Q R3 R4)2薩Q (2) 式中fo是超聲探頭的工作頻率。ri之值應(yīng)設(shè)計(jì)在10MQ以上，甚至達(dá)到100MQ以上。此值的 設(shè)計(jì)視超聲探頭的輸出阻抗ro確定，T形網(wǎng)絡(luò)中，R3=R13， R4=R14, (R3+R4)<200kQ , R5 =R15=2kQ， d = C2，依式(2)取在0.1u 0.01u之內(nèi)，兩個(gè)集成運(yùn)放Ai和A2的負(fù)反饋端各有負(fù)反饋電阻R6二Ri6二(R3+R4)，兩個(gè)負(fù)反饋電阻可以保證與A!和A2同相端的直流平衡性。上述整體電路是一個(gè)差動(dòng)輸入、差動(dòng)輸出前置放大器。以Ai和A2為代表的兩套放大電 路應(yīng)保持它們的總體對(duì)稱性，這種保證是由上下兩套電子元件分別對(duì)應(yīng)相同而實(shí)現(xiàn)的。電阻 配對(duì)誤差應(yīng)在±0.5 %范圍之內(nèi)，電容配對(duì)誤差應(yīng)該保證在± 5 %以內(nèi)，運(yùn)放Ai和A2應(yīng)該選 用帶寬增益積在5M 50MHz范圍內(nèi)的雙運(yùn)放，該范圍由探頭超聲波的頻率決定。前置放大器的增益近于1,其輸出端Vo+和V0—將與后級(jí)放大器的輸入端相聯(lián)。其輸入 端Vi+和vr將與超聲波探頭引線相聯(lián)。典型應(yīng)用技術(shù)依附圖1、 2的應(yīng)用電路令探頭工作頻率fO二100kHz。若設(shè)計(jì)電路的交流輸入阻抗ri大于60MQ，則令Ri二Rn 二50kQ， D,和D2使用普通硅二極管；令Ro二R2二30kQ， R12=15kQ。令R3二R!3-75k Q， R4=Ri4 = 75kQ， R5=R15=2kQ， C, =C2=0.1 u F。根據(jù)式a)可以驗(yàn)算直流輸入阻抗Ri=2(Ri+R2+R3+R4)=460K Q 倘不滿足Ri〈500kQ時(shí)，可以按比例同時(shí)減小R" R2、 R3和R4的阻值，直到滿足時(shí)為止。依據(jù)式(2)可以驗(yàn)算交流輸入阻抗ri二2(R+R2+2nfD'CVR3'R4)二2(50k+30k+6.28X100kX75kX75kX0.1 w)"70MQ 當(dāng)ri不滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，可以同時(shí)改變d二C2之值來(lái)實(shí)現(xiàn)。可見(jiàn)該放大器直流輸入阻抗約460kQ，大大降低了放大電路得直流漂移特性。而交流輸 入阻抗可達(dá)70MQ ，可以從探頭獲得99%以上的超聲電壓信號(hào)。雙運(yùn)放Al和A2選用型號(hào)為MAX4132。共模抑制比(CMRR)的調(diào)整方法將附圖1、 2中兩輸入端V,和V廠短路之后對(duì)地接入5 10V之內(nèi)的一個(gè)50Hz交流正弦 信號(hào)，以模擬市電干擾。使用示波器同時(shí)觀察此正弦輸入信號(hào)和放大電路的Vo+和V(T之間 的50Hz輸出信號(hào)。反復(fù)調(diào)整電位器Ro可以使輸出50Hz波形的幅度達(dá)到最小即可。
權(quán)利要求
1、一種超聲波流量計(jì)的高輸入阻抗差動(dòng)前置放大器電路，其特征在于包括高壓保護(hù)電路、CMRR調(diào)整電路、集成運(yùn)算放大器，所述的高壓保護(hù)電路與CMRR調(diào)整電路連接，所述的CMRR調(diào)整電路與集成運(yùn)算放大器連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波流量計(jì)的高輸入阻抗差動(dòng)前置放大器電路，其特征在于，所 述高壓保護(hù)電路包括電阻(R,、 Ru)、 二極管(D!、 D2)，所述CMRR調(diào)整電路包括電 位器(Ro)、電阻(R2、 R12)，所述集成運(yùn)算放大器，包括集成運(yùn)放電路(Ab A2)、電阻(R6、 R16、 R3、 R4、 R5、 R13、 R"、 R15、)、電容(C!、 C2)，其中兩只電阻&和Ru與保 護(hù)二極管D,和D2組成串聯(lián)回路形式的限幅電路，(Di、 D2)反相并聯(lián)的兩端分別經(jīng)電阻(R2、 R12)與(At、 A2)的同相輸入端相聯(lián)，電位器Ro直接或間接與高壓保護(hù)電路及集 成運(yùn)放電路輸入端相聯(lián)，調(diào)整電位器Ro的阻值，可以改變各個(gè)直流電阻總體的對(duì)稱平衡 性，集成運(yùn)放電路的正反饋回路中設(shè)置有電阻器R3、 R4、 R5和電容Q組成的T形網(wǎng)絡(luò)，其中R3、 R4和R5各有一端聯(lián)在一起，它們的另一端中，R4接地、R3接A的同相輸入端、R5經(jīng)電容C!接Ai的輸出端Vo+，集成運(yùn)放電路A2的正反饋回路設(shè)置有電阻器R,3、 R14、 R,5和電容C2組成的T形網(wǎng)絡(luò)，其中Rn、 1114和^5各有一端聯(lián)在一起，它們的另一端中，Rj4接地、Ri3接集成運(yùn)放電路A2的同相輸入端，Ri5經(jīng)電容C2接集成運(yùn)放電路A2的輸出端Vo—，設(shè)置在集成運(yùn)放電路A,和A2的兩個(gè)負(fù)反饋電阻R6和R16，以控制前置放大器的 增益，其中R6—端接集成運(yùn)放電路A,的輸出端，另一端接反相輸入端，1116—端接集成運(yùn) 放電路A2的輸出端，另一端接反相輸入端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲波流量計(jì)的高輸入阻抗差動(dòng)前置放大器電路。它包括高壓保護(hù)電路、CMRR調(diào)整電路、集成運(yùn)算放大器組成的放大電路，超聲探頭輸入信號(hào)通過(guò)輸入信號(hào)端子到高壓保護(hù)電路，高壓保護(hù)電路直接或間接與CMRR調(diào)整電路連接，利用CMRR電位器調(diào)整前置放大器電路的電阻平衡性，以確保共模信號(hào)的高度衰減，利用放大器的正反饋特性以提高前置放大器的交流輸入阻抗。本發(fā)明的有益效果是可以從探頭獲得很高的輸入電壓信號(hào)，而從探頭中吸取功率甚小，確保整機(jī)測(cè)量精度的提高。
文檔編號(hào)G01F1/66GK101251399SQ200810052768
公開(kāi)日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月17日
發(fā)明者張亞先, 李長(zhǎng)齊, 梁玉堂, 王雙存, 皇埔曉蓉, 耿世鈞, 晶 馬 申請(qǐng)人:天津天儀集團(tuán)儀表有限公司