超声波液体流量计的二合一前置预处理

    引言
    在众多的电子设备中，尤其是在测量、监测及控制系统中，越来越多地使用了传感器。传感器输出的模拟信号往往比较弱，而且常常伴有噪声或突发性干扰冲。为此.必须对传感器接收的信号进行前置预处理，以实现信号的放大、滤波和幅度控制，供后置电路进行信息处理。在同时具有发射与接收的电路系统中，发射传感器与接收传感器通常是分开专用的.即一个传感器专门用来发射，另一个传感器则专管接收。但在某些电子设备中.如超声波液体流量计，其发射和接收要求用两个传感器按一定的周期交林地进行。对这样的电路，如果将两个传感器接收的信号分另lJ进行放大处理.不仅会使电路变得复杂.而目_电路的一致性、可靠性也将随着元器件的增多而降低。本文介绍一种前置预处理电路，它可将两路传感器接收的信号合为一路进行信号的放大、滤波与自动增益控制。
    2 基本考虑和原理框图
设两路传感器按一定周期交替地进行发射与接收，即传感器1发射时.传感器2进行接收;传感器2发射时，传感器1进行接收。因传感器l，2不是同时接收信号，它们接收到的信号在时间上是“串行”而非“并行”的，所以在不需要判断信号是哪一个传感器接收的情况卜.可将两路信号合在一起处理;而在需要对信号进行识另l时.只要用控制传感器交替收发的周期信号op对电路进行控制.就能方便地把两路信号分开。图l为电路总体框图，给出了信号的前置放大与自动增益控制流程。两个传感器接收到的信号经输入保护电路送入前放.在门信号控制下分时放大井合成一路输出至自动增益放大器，然后经滤波选出有用的信号再次进行放大.得到一定幅值的信号。该信号一方面送入后面的处理电路进行信号处理，另一方而送入比较电路.并将比较结果送入自动增益控制电路，产生一个随信号幅值变化的直流电平，用于控制自动增益放大电路的放大倍数。

   3 主要器件和电路

   1 单片中频放大器Mc1350
   集成电路MC1350常作为中放用于收音机和电视机电路中。它的放大倍数受一外加电压控制。当外加电压升高时.放大倍数减小，反之则增大.白动增益(AGC)动态范围可达60dB。在整个AGC范围内具有稳定的输入导纳与输出导纳。MC135。的两个输入端可由变压器驱动.但无论是单端输入还是差动输入.输入端与地之间不允许有直流通路。两个输出端则通过一个具有中心抽头的线圈来供电。输出端电源可以与Mcl350共用一个十1Zv电源，但为使输出导纳保持稳定，最好另用一个独立的+lsv电源。

   2  门控双通道输入宽带放大器Mc，445
MC1445是一个通用的门控宽带放大器.其典型应用有:视频升关、读出放大器、多路转换器、调幅器、移频键控电路、限幅器，八GC电路、脉冲放大器等。主要性能是宽频带50Mllz(典型值).通道选择时问20ns，差动输入、差动输出。它的外封装与内部等效电路如图2所示。[page]

    3 带输入保护的门控前放
为使两路传感器所接收的信号合成一路输出，根据上面的设计思想，可以选用门控双通道输入宽带放大器MC1445。图3为用Mc1445构成的前置放大电路。
 

两路传感器接收的信号分别经输入保护电路送入MC1445。这里采用控制传感器交替收发的周期信号OP作为其门控信号。当oP为高电平时.传感器l发射，传感器2接收.这时MCI445内部的运放A工作，将传感器2所接收的信号放大.并输出到自动增益控制放大器中;当OP为低电平时.传感器2发射.传感器l接收.运放B工作.传感器1的接收信号被放大。
    4 自动增益放大器
信号传播媒介的不同或变化，两传感器之间距离的不同，外界环境的变化.以及其他一些干扰因素等，都会使传感器接收的信号强度产生大的变化和起伏。而信号的终端处理电路只能处理幅度变化不大的信号，信号过强过弱或忽大忽小都将使终端处理电路无法正常工作。为了让电路在一定的电源电压下能适应信号的大动态范围，就必须有高性能的动态范围压缩处理.也就是说需要对接收信号进行自动增益控制.使得输入信号的幅值变化范围很大时.能够严格地控制放大器的增益.使输出信号幅度保持不变或只有很小变化。
 

如前所述.集成中放Mcl350的放大倍数可由外界电压控制.因此我们可以将它用作AGc放大器。图4为自动增益放大电路。当比较电路判断接收信号过大时.由AGc控制电路产生一个较原先为高的直流电平.使MC1350的放大倍数降低.输出信号幅度减小;而当接收信号小于比较电平时，AGc控制电路就产生一个较原先为低的电平来提高MC1350的放大倍数。因两路信号是合成一路输入Mcl350输入端的，而两路信号的幅值及变化可能不一样，因此在对输入信号进行自动增益控制时.必须区分信号是由哪一个传感器接收进来的.这个功能可以由自动增益控制电路中的OP信号完成。MCI350的两个输出端是通过一个具有中心抽头的线圈来供电的，若在输出脚l和脚8之问接入一个电容.就可以构成一个LC选频网络.实现信号的滤波。这样.由一个放大器及其外接电路就起到了自动增益控制与滤波两个作用。变压器祸合输出则使信号与地产生了有效的隔离。LC滤波和变压器祸合输出两项措施大大地增强了电路的抗干扰能力。[page]
    5  输出级
输出级由放大器BGI和射极输出器BGZ组成.如图5所示。BGI对信号再一次进行放大。因其输入是由变压器祸合过来的，基极处于零偏压状态.所以在设计中可采用正负两组电源供电.放大倍数由R:、RZ的比值决定。射级输出器BGZ的输出阻抗很小，提高了电路的负载能力。
    6 自动增益控制电路
自动增益放大器MC1350需要用一个变化的外界电压来控制其放大倍数.这个电压就由自动增益控制电路来实现。该电路主要由泵电路、积分放大器和切换电路三个部分组成。工作过程如图6所示。

 

输出级输出的信号送入比较器进行比较.当输出信号幅度大于比较电平时，比较电路输出一个逻辑高电平“l”.信号幅度小于比较电平时，比较电路输出一个逻辑低电平“o”(我们把这个信号定义为信号Il/L)。I钊L信号送入泵电路中，由周期信号OP来判断这个信一号是由哪一路信号经比较后产生的，以决定将泵电路产生的积分脉冲送入积分器A还是积分器B。当H/L为高电平时，泵电路产生一个SV负脉冲，通过积分放大器，使自动增益放大器的控制电平上升，降低该放大器的放大倍数;当II/L为低电平时.泵电路产生一个sv正脉冲，使控制电平卜降，自动增益放大器放大倍数升高。积分器A对应传感器l，积分器B对应传感器2.只有当其对应的传感器作接收用时:积分器才输入积分脉冲进行积分，产生新的控制电平AGC·v.或AGC·VZ，并保持这一电压.在所对应的传感器再一次接收信号时，通过切换开关送至受控放大器Mc1350.实现信号幅度的自动调节。切换升关的作IJJ就是在c)J，信号的控制卜将积分器A和B产生的控制电平AGC·v、、AGC·V:合成一路AGC·v输出，正确地调整两路接收信号的输出幅度。
    结束语
   上述电路虽然是为超声波液体流量it设计的.但也可以应用于其他类似的超声或非超声接收设备中。实验证明.本电路工作稳定可靠。电路的调试得到了张遇民高级工程师和项目组全体同事的指导和帮助，在此深表感谢。
性是在行波管内用比较法通过测量a值在不同压力下的变化而测得的.结果在各测试频率下从。至IMPa的灵敏度变化均小于0.4dB。

    (5) 水听器稳定性考核
    在一年中对该水听器进行了六次重复性考核，最大误差小于士o.5dB(包括各种误差在内)。
    7 结束语
   本文所述水听器是根据“八五“国防计量测试技术发展计划立项课题研制而成的，并已通过国防科工委组织的专家鉴定组的鉴定。口前该水听器已在本单位并提供给其他单位使用，得到了较满意的使用效果。在研制工作中得到了黄进来、张先摊等同志的大力支援和帮助.在此表示谢意。