一种超声波燃气表计量信号自动增益处理装置的制作方法

1.本实用新型涉及超声波燃气表技术领域，具体涉及一种超声波燃气表计量信号自动增益处理装置。


背景技术：

2.超声波燃气表凭借体积小、量程宽、精度高、寿命长等优势已经成为继普通皮膜式燃气表、ic卡式燃气表、有线燃气表、无线远传燃气表之后市场上主流的燃气计量表具。
3.目前，时差法是超声波燃气表计量技术方案中应用最广泛的一种测量方法，具体为利用顺流、逆流时超声波信号传播时间的差值来计算出气体的流速，再结合流道尺寸数据便可计算出气体的流量。因此，顺流、逆流时超声波信号传播时间的精确计量就成为制约超声波燃气表计量精度的关键因素。
4.超声波信号在传输过程中幅值会发生严重衰减，造成接收端接收到的超声波回波信号的幅值仅有约几毫伏，非常不利于超声波回波信号的检测。此外，气体组分的不同、流道结构设计的不合理、温度变化等因素也会对超声波回波信号的幅值造成极大影响，严重影响顺流、逆流时超声波信号传播时间的计量精度。
5.现有的超声波燃气表在针对超声波回波信号的幅值进行处理时，主要采取如下三种方式：
6.1、如图1所示的固定增益放大法，其利用运算放大器搭建固定增益放大电路对超声波回波信号的幅值进行固定增益放大；当气体组分、流道结构设计、温度等参数固定不变时，超声波回波信号的幅值趋于稳定，此种情况下勉强可以正常工作。但，采用固定增益放大电路对超声波回波信号的幅值进行固定倍数放大，会因放大倍数无法进行自适应而造成计量失败。
7.2、如图2所示的多档可调增益放大法，反馈电路首先对输出信号的幅值进行测量，之后根据测量结果，通过控制模拟开关或数字电位器的接入电阻来控制放大电路中运算放大器的放大倍数，构成多档可调增益放大电路，实现对超声波回波信号的幅值进行多档可调增益放大；由于放大倍数档位调节范围有限，在使用时需要先进行匹配测试，匹配通过后才可以正常使用，当气体组分、流道结构设计、温度等参数发生微弱变化时可以正常工作。但，采用多档可调增益放大电路，放大倍数档位调节范围有限，精度低，在使用时需要进行匹配测试，匹配通过后才可以正常使用，且抗干扰能力差，不具备通用性。
8.3、如图3所示的反馈式自动增益放大法，反馈电路首先对输出信号的幅值进行测量，之后将测量结果反馈至放大电路中程控运算放大器的参考电压引脚来控制放大电路中程控运算放大器的放大倍数，构成反馈式自动增益放大电路，实现对超声波回波信号的幅值进行自动增益放大。由于需要搭配外围反馈电路才可以正常工作，在保证外围反馈电路性能稳定的前提下，当气体组分、流道结构设计、温度等参数发生一定范围的变化时可以正常工作。采用的反馈式自动增益控制电路理论上可以做到放大倍数自适应，但需要搭配外围反馈电路才可以正常工作，造成信号延迟，实时性低，而且电路搭建过于复杂，且往往需
要多级级联，功耗高，因此也不具备通用性。
9.因此，如何使接收到的超声波信号的幅值保持稳定，成为了当前亟需解决的问题。


技术实现要素：

10.针对现有技术中存在的不足之处，本实用新型提供一种超声波燃气表计量信号自动增益处理装置。
11.本实用新型公开了一种超声波燃气表计量信号自动增益处理装置，包括：电源供电接口、信号输入接口、差分信号输出接口、单端信号输出接口、电源管理模块、输入信号匹配模块、信号自动增益处理模块和输出信号匹配模块；
12.所述电源供电接口与所述电源管理模块相连，所述电源管理模块分别与所述输入信号匹配模块、信号自动增益处理模块和输出信号匹配模块相连；
13.所述信号输入接口与所述输入信号匹配模块相连，所述输入信号匹配模块与所述信号自动增益处理模块相连，所述信号自动增益处理模块与所述输出信号匹配模块，所述输出信号匹配模块分别与所述差分信号输出接口和单端信号输出接口相连。
14.作为本实用新型的进一步改进，
15.所述输入信号匹配模块，用于对所述信号输入接口输入的超声波回波信号进行滤波、缓冲处理，获得第一信号；
16.所述信号自动增益处理模块，用于对所述第一信号进行幅值自动增益处理，获得差分信号；
17.所述输出信号匹配模块，用于对所述差分信号进行滤波，将滤波后的差分信号输入至所述差分信号输出接口；同时，将滤波后的差分信号转换成单端信号，并将单端信号输入至所述单端信号输出接口。
18.作为本实用新型的进一步改进，所述电源供电接口的供电电压为直流3v。
19.作为本实用新型的进一步改进，所述电源管理模块由相连的降压模块和负压转换模块构成，所述降压模块为具有反向电流保护和使能功能的低压差线性稳压器，所述负压转换模块为开关电容器电压转换器。
20.作为本实用新型的进一步改进，所述信号输入接口用于输入频率为200khz的待处理超声波回波信号。
21.作为本实用新型的进一步改进，所述输入信号匹配模块包括由电容、电阻和运算放大器构成的有源高通滤波器。
22.作为本实用新型的进一步改进，所述信号自动增益处理模块包括自动增益放大器，同时采用集成电路芯片进行搭建，无需额外搭建外部反馈电路。
23.作为本实用新型的进一步改进，所述输出信号匹配模块包括相连的高通滤波器与差分转单端运算放大器，所述差分信号输出接口连接在所述高通滤波器与差分转单端运算放大器之间，所述单端信号输出接口连接在所述差分转单端运算放大器的输出端。
24.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
25.1、本实用新型装置具备幅值自动增益处理功能，借助该装置可以使超声波回波信号的幅值在不同气体组分、不同流道结构、不同温度时维持在一个相对稳定且合理的范围之内，为后续顺流、逆流时超声波信号传播时间的精确计量提供有力保证，提高超声波信号
传播时间的计量精度；
26.2、本实用新型装置的电路结构简单，且无需多级级联，尤其是自动增益处理模块采用集成电路芯片方案进行搭建，无需额外搭建外部反馈电路，可靠性高，功耗低，非常适合应用于电池供电场景；同时，具有使能控制引脚，为后续进一步控制功耗预留出接口，具备很强的拓展性；
27.3、本实用新型装置具备差分、单端两种方式信号输出接口，拓展性强，可以实现多场景应用。
附图说明
28.图1为现有固定增益放大法的原理示意图；
29.图2为现有多档可调增益放大法的原理示意图；
30.图3为反馈式自动增益放大法的原理示意图；
31.图4为本实用新型一种实施例公开的超声波燃气表计量信号自动增益处理装置的结构示意图；
32.图5为本实用新型一种实施例公开的超声波燃气表计量信号自动增益处理装置的框架图；
33.图6为本实用新型一种实施例公开的超声波燃气表计量信号自动增益处理装置的电路图。
34.图中：
35.1、电源供电接口；2、信号输入接口；3、差分信号输出接口；4、单端信号输出接口；5、电源管理模块；6、输入信号匹配模块；7、信号自动增益处理模块；8、输出信号匹配模块；9、壳体。
具体实施方式
36.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
37.下面结合附图对本实用新型做进一步的详细描述：
38.如图4、5所示，本实用新型提供一种超声波燃气表计量信号自动增益处理装置，包括：电源供电接口1、信号输入接口2、差分信号输出接口3、单端信号输出接口4、电源管理模块5、输入信号匹配模块6、信号自动增益处理模块7和输出信号匹配模块8；其中，电源供电接口1、信号输入接口2、差分信号输出接口3、单端信号输出接口4置于壳体9上，电源管理模块5、输入信号匹配模块6、信号自动增益处理模块7和输出信号匹配模块8置于壳体9内。
39.本实用新型各模块或接口的连接关系为：
40.本实用新型的电源供电接口1与电源管理模块5相连，电源管理模块5分别与输入信号匹配模块6、信号自动增益处理模块7和输出信号匹配模块8相连；信号输入接口2与输入信号匹配模块6相连，输入信号匹配模块6与信号自动增益处理模块7相连，信号自动增益
处理模块7与输出信号匹配模块8，输出信号匹配模块8分别与差分信号输出接口3和单端信号输出接口4相连。
41.本实用新型各模块或接口的作用为：
42.信号输入接口1，用于输入待处理的超声波回波信号；
43.电源管理模块5，用于生成输入信号匹配模块6、信号自动增益处理模块7、输出信号匹配模块8的工作电压；
44.输入信号匹配模块6，用于对信号输入接口1输入的超声波回波信号进行滤波、缓冲处理；
45.信号自动增益处理模块7，用于对输入信号匹配模块6输入的信号进行幅值自动增益处理以保证幅值稳定，输出幅值稳定的差分信号。
46.输出信号匹配模块8，用于对信号自动增益处理模块7输入的信号进行滤波处理，将滤波后的差分信号输入至差分信号输出接口3进行输出；同时，将滤波后的差分信号转换成单端信号，并将单端信号输入至单端信号输出接口4进行输出。
47.如图6所示，本实用新型各模块或接口的电路结构为：
48.电源供电接口1，用于对超声波燃气表计量信号自动增益处理装置进行系统供电，供电电压为直流3v。
49.电源管理模块5包含由u1构成的降压模块和由u2构成的负压转换模块；其中，u1是一种具有反向电流保护和使能功能的超低 iq（静态电流）低压差线性稳压器，用于将直流3v电压转换成直流正2.5v电压；输入、输出电容c1、c2、c3用于提高瞬态响应、降低纹波和提高psrr（电源抑制比），推荐选用稳定稳型x7r陶瓷电容。u2是一种开关电容器电压转换器，用于将直流正2.5v电压转换成直流负2.5v电压，电容c4、c7是电荷泵电容，容值为10μf，电容c5、c6用于提高瞬态响应、降低纹波和提高psrr（电源抑制比）。
50.信号输入接口2，用于输入待处理的频率为200khz超声波回波信号。
51.输入信号匹配模块6，用于对信号输入接口输入的频率为200khz超声波回波信号进行滤波、缓冲处理。由于超声波回波信号幅值比较低，仅有约几毫伏，且含有直流及交流干扰信号成分；为此，本实用新型通过电容c24、电阻r15构成高通滤波器，电阻r14用于为超声波回波信号中的直流信号提供泄放一个路径；借助理想运算放大器输入电阻无穷大，输出电阻无穷小的特性，运算放大器u4与电容c24、电阻r15一同构成有源高通滤波器，实现对超声波回波信号进行滤波、缓冲处理，可以通过调整电阻r5的阻值来进行阻抗匹配。
52.信号自动增益处理模块7，用于对输入信号匹配模块输入的信号进行幅值自动增益处理以保证幅值稳定，使超声波回波信号的幅值维持在一个相对稳定且合理的范围之内。特别需要指出的是本实用新型涉及的信号自动增益处理模块采用集成电路芯片，无需额外加入外部反馈电路。u3是一款可以兼容单端、差分输入的低噪声、低功耗、具有精确增益的可变增益放大器，u3采用+3v电压进行供电，内部集成有电流输出均方根检测器，可用于将u3配置为一个agc放大器来实现自动增益控制功能。引脚inpr、inmr和引脚inpd、inmd分别是两组信号输入端口，不同的是inpr、inmr信号输入端口内部集成有1k固定阻值电阻，inpd、inmd信号输入端口可以依据不同应用场景由用户自行配置外部电阻阻值来调整增益范围。通过电阻r7、r11和r8、r12的选择性焊接可以灵活调整超声波回波信号输入模式。电阻r13为预留调试电阻，用于控制前后级电路的通断。电容c21、c26搭配电阻r9、r10构成高
通滤波器用于阻断超声波回波信号中的直流或者低频成分。引脚vref是内部1.5v基准电压源，agc电路根据自动增益控制电压引脚vagc与引脚vref上的电压差调整驱动增益控制输入引脚gain的电压，电容c25用于调整agc电路的响应时间，最终的输出的目标均方根电压为引脚vagc与引脚vref上的电压差绝对值，即，引脚mode为增益斜率控制引脚，由于agc电路采用负反馈，需要将引脚mode接地。引脚ofsn是失调引脚校准引脚，电容c17与u3内部电阻构成高通滤波器，用于失调校准。引脚outp、optm是差分信号正、负输出引脚，fbkp、fbkm是差分信号的正、负反馈节点，电容c18、c20与u3内部的反馈电阻一起构成低通滤波器来降低输出信号中的高频噪声，提高输出信号质量。
53.输出信号匹配模块8，用于对信号自动增益处理模块输入的信号进行滤波处理、将差分信号转换成单端信号，并将处理后的差分信号、单端信号分别通过差分信号输出接口3、单端信号输出接口4进行输出。电容c11与电阻r3、电容c13与电阻r6构成两组高通滤波器用于进一步降低输出信号中的高频噪声，u5是差分转单端运算放大器，用于将信号自动增益处理模块输出的差分信号转换成单端信号。
54.本实用新型的优点为：
55.1、本实用新型装置具备幅值自动增益处理功能，借助该装置可以使超声波回波信号的幅值在不同气体组分、不同流道结构、不同温度时维持在一个相对稳定且合理的范围之内，为后续顺流、逆流时超声波信号传播时间的精确计量提供有力保证，提高超声波信号传播时间的计量精度；
56.2、本实用新型装置的电路结构简单，且无需多级级联，尤其是自动增益处理模块采用集成电路芯片方案进行搭建，无需额外搭建外部反馈电路，可靠性高，功耗低，非常适合应用于电池供电场景；同时，具有使能控制引脚，为后续进一步控制功耗预留出接口，具备很强的拓展性；
57.3、本实用新型装置具备差分、单端两种方式信号输出接口，拓展性强，可以实现多场景应用；如，可以连接差分模拟数字转换器进行高精度波形检测，也可以单端输出连接超声波时间计量芯片进行超声波飞行时间测量。
58.以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。