CN101251399B - 超声波流量计的高输入阻抗差动前置放大器电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波流量计的高输入阻抗差动前置放大器电路。它包括高压保护电路、CMRR调整电路、集成运算放大器组成的放大电路，超声探头输入信号通过输入信号端子到高压保护电路，高压保护电路直接或间接与CMRR调整电路连接，利用CMRR电位器调整前置放大器电路的电阻平衡性，以确保共模信号的高度衰减，利用放大器的正反馈特性以提高前置放大器的交流输入阻抗。本发明的有益效果是：可以从探头获得很高的输入电压信号，却从探头中吸取功率甚小，确保整机测量精度的提高。

Description

超声波流量计的高输入阻抗差动前置放大器电路

技术领域

本发明涉及一种自动化仪表，特别涉及一种超声波流量计的高输入阻抗差动前置放大器电路。

背景技术

当前超声波流量计所使用的探头接口的前置放大电路都使用简单的接口电路，无论该电路采用分立元件或集成运放，它们组成的电路的输入阻抗一般都不超过500kΩ，并且不调整CMRR。这种简单设计的缺陷主要有三点：一是超声探头上有超声波发射信号和接收信号，其中的发射信号有数十伏特或数百伏特，必须用50k～300kΩ的保护电阻降压，才能保护前置放大器；这种保护电阻将与放大器的输入阻抗分压，在很大程度上衰减了超声探头输出的超声波接收信号。二是在前置放大器输入阻抗大于100kΩ时，又不在放大器的输入端调整CMRR，势必使一部分共模干扰信号转变为差模干扰信号，成为后面放大器的放大目标，为流量计引入很大的干扰误差，例如市电干扰误差。三是如果直流输入阻抗依交流输入阻抗被提高以后，将增加前置放大器的时漂、温漂的交流干扰幅度。

上述三点是当前超声波流量计产品中始终没有解决的问题，它们是超声波流量计的精度始终不高的主要原因。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种利用正反馈回路加大前置放大器电路的交流输入阻抗，另外又增加CMRR电位器以确保共模信号的高度衰减，使之成为超声波流量计的高输入阻抗差动前置放大器电路。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种超声波流量计的高输入阻抗差动前置放大器电路，其特征在于：包括高压保护电路、CMRR调整电路、集成运算放大器，所述高压保护电路：包括电阻R1、电阻R11、二极管D1、二极管D2，所述CMRR调整电路包括电位器R0、电阻R2、电阻R12，所述集成运算放大器，包括集成运放电路A1、集成运放电路A2、电阻R6、电阻R16、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电容C1、电容C2，其中两只电阻R1和电阻R11与保护二极管D1和保护二极管D2组成串联回路形式的限幅电路，二极管D1、二极管D2反相并联的两端分别经电阻R2、电阻R12与集成运放电路A1、集成运放电路A2的同相输入端相联，电位器R0直接或间接与高压保护电路及集成运放电路输入端相联，调整电位器R0的阻值，可以改变各个直流电阻总体的对称平衡性，集成运放电路A1的正反馈回路中设置有电阻R3、电阻R4、电阻R5和电容C1组成的T形网络，其中电阻R3、电阻R4和电阻R5各有一端联在一起，它们的另一端中，电阻R4接地、电阻R3接A1的同相输入端、电阻R5经电容C1接集成运放电路A1的输出端VO+，集成运放电路A2的正反馈回路设置有电阻R13、电阻R14、电阻R15和电容C2组成的T形网络，其中电阻R13、电阻R14和电阻R15各有一端联在一起，它们的另一端中，电阻R14接地、电阻R13接集成运放电路A2的同相输入端，电阻R15经电容C2接集成运放电路A2的输出端VO-，设置在集成运放电路A1和集成运放电路A2的两个负反馈电阻R6和电阻R16，以控制前置放大器的增益，其中电阻R6一端接集成运放电路A1的输出端，另一端接反相输入端，电阻R16一端接集成运放电路A2的输出端，另一端接反相输入端。

本发明的有益效果是：1.利用正反馈回路加大前置放大器电路的交流输入阻抗，将之提高到10M～100MΩ范围内，以加大与保护电阻的分压比，于是放大器输入端可以从探头上获得90％以上的超声波输入信号。2.在提高交流输入阻抗的同时，可以保证较低的直流输入阻抗。大约在100k～500kΩ范围之内，以减少直流漂移误差。3.增加CMRR电位器，确保共模信号的高度衰减。这种平衡电路设计将使CMRR之值增加到60dB以上。

总之，超声波流量计的高输入阻抗差动前置放大器电路，可以从探头获得很高的输入电压信号，却从探头中吸取功率甚小，确保测量精度的提高。

附图说明

图1为本发明应用电路图并作为摘要附图。

图2为本发明原理方框图。

具体实施方式

如图1、2所示：一种超声波流量计的高输入阻抗差动前置放大器电路，还包括高压保护电路，CMRR调整电路、集成运算放大器组成的放大电路，其中高压保护电路与CMRR调整电路连接，CMRR调整电路与集成运算放大器组成的放大电路连接。高压保护电路包括电阻R₁、R₁₁、二极管D₁、D₂，CMRR调整电路包括电位器R₀、电阻R₂、R₁₂，集成运算放大器包括集成运放电路A₁、A₂、电阻R₆、R₁₆、R₃、R₄、R₅、R₁₃、R₁₄、R₁₅电容C₁、C₂，其中输入信号端子V_i ⁺通过电阻R₁与二极管D₁、D₂反向并联一端、电阻R₂连接，电阻R₂另一端与电阻R3一端、集成运放电路A₁的同相输入端连接，电阻R₃另一端与电阻R₄、R₅的一端连接，电阻R₄另一端接地，电阻R₅的另一端经电容C₁与集成运放电路A₁输出信号端V_O ⁺连接，集成运放电路A₁输出信号端子V_O ⁺通过电阻R₆与集成运放电路A₁的反相输入端连接，输入信号端子V_i ^-通过电阻R₁₁与二极管D₁、D₂反向并联另一端、电位器R₀连接，电位器R₀另一端通过电阻R₁₂与集成运放电路A₂的同相输入端、电阻R₁₃连接，电阻R₁₃另一端与电阻R₁₄、R₁₅的一端连接，电阻R₁₄另一端接地，电阻R₁₅的另一端经电容C₂与集成运放电路A₂输出信号端子V_O ^-连接，集成运放电路A₂输出信号端子V_O ^-通过电阻R₁₆与集成运放电路A₂的反相输入端连接。

上述高压保护电路两只阻值在50k～100kΩ的电阻R₁和R₁₁与保护二极管D₁和D₂组成串联回路形式的限幅电路，防止超声探头数十伏或数百伏的发射信号击穿运放A₁和A₂的输入回路。二极管D₁和D₂分别间接与A₁和A₂的输入端相联，使该入端的最大电压信号被限制在±0.8V以内，高压保护电路直接或间接与运放输入端相联，D₁和D₂取普通硅二极管。

上述电位器R₀与电阻器R₁₂、R₂共同组成CMRR调整电路，电位器R₀直接或间接与运放输入端相联，直接相联时，调整R₀可以改变由A₁和A₂组成的放大电路的总体阻抗的平衡性，导致整个前置放大器的CMRR达到60dB以上，调整电位器R₀的阻值，可以改变各个直流电阻总体的对称平衡性，调整电路的三个元件中，电位器R₀取值范围在30k～100kΩ之间选取，且R₂＝R₀，R₁₂＝0.5R₀，阻值选取的原则，应确保整体前置放大器的总的直流输入阻抗不超过500kΩ。

上述集成运算放大器中集成运放A₁的正反馈回路中置入由电阻器R₃、R₄、R₅和电容Cl组成的T形网络，其中R₃、R₄和R₅各有一端联在一起，它们的另一端中，R₄接地，R₃接A₁的同相输入端，R₅接Al的输出端VO⁺，集成运放A₂的正反馈回路中置入由电阻器R₁₃、R₁₄、R₁₅和电容C₂组成的T形网络，其中R₁₃、R₁₄和R₁₅各有一端联在一起，它们的另一端中，R₁₄接地，R₁₃接A₂的同相输入端，R₁₅接A₂的输出端V_O ^-，交流耦合电容C₁和C₂取值为0.01μ～0.1μF，

T形网络组成放大器直流输入阻抗R_i的一部分：

R_i＝2(R₁+R₂+R₃+R₄)≤500kΩ             (1)

T形网络与其它元件组成放大器交流输入阻抗为：

r_i＝2(R₁+R₂+2πf₀·C₁·R₃·R₄)≥10MΩ  (2)

式中f₀是超声探头的工作频率。r_i之值应设计在10MΩ以上，甚至达到100MΩ以上。此值的设计视超声探头的输出阻抗r₀确定，T形网络中，R₃＝R₁₃，R₄＝R₁₄，(R₃+R₄)＜200kΩ，R₅＝R₁₅＝2kΩ，C₁＝C₂，依式(2)取在0.1μ～0.01μ之内，两个集成运放A₁和A₂的负反馈端各有负反馈电阻R₆＝R₁₆＝(R₃+R₄)，两个负反馈电阻可以保证与A₁和A₂同相端的直流平衡性。

上述整体电路是一个差动输入、差动输出前置放大器。以A₁和A₂为代表的两套放大电路应保持它们的总体对称性，这种保证是由上下两套电子元件分别对应相同而实现的。电阻配对误差应在±0.5％范围之内，电容配对误差应该保证在±5％以内，运放A₁和A₂应该选用带宽增益积在5M～50MHz范围内的双运放，该范围由探头超声波的频率决定。

前置放大器的增益近于1，其输出端V_O ⁺和V_O ^-将与后级放大器的输入端相联。其输入端V_i ⁺和V_i ^-将与超声波探头引线相联。

典型应用技术

依附图1、2的应用电路：

令探头工作频率f0＝100kHz。若设计电路的交流输入阻抗ri大于60MΩ，则令R₁＝R₁₁＝50kΩ，D₁和D₂使用普通硅二极管；令R₀＝R₂＝30kΩ，R₁₂＝15kΩ。令R₃＝R₁₃＝75kΩ，R₄＝R₁₄＝75kΩ，R₅＝R₁₅＝2kΩ，C₁＝C₂＝0.1μF。

根据式(1)可以验算直流输入阻抗：

Ri＝2(R₁+R₂+R₃+R₄)＝460KΩ

倘不满足Ri＜500kΩ时，可以按比例同时减小R₁、R₂、R₃和R₄的阻值，直到满足时为止。

依据式(2)可以验算交流输入阻抗：

ri＝2(R₁+R₂+2πf0·C₁·R₃·R₄)＝2(50k+30k+6.28×100k×75k×75k×0.1μ)≈70MΩ当ri不满足设计指标时，可以同时改变C₁＝C₂之值来实现。

可见该放大器直流输入阻抗约460kΩ，大大降低了放大电路得直流漂移特性。而交流输入阻抗可达70MΩ，可以从探头获得99％以上的超声电压信号。

双运放A1和A2选用型号为MAX4132。

共模抑制比(CMRR)的调整方法：

将附图1、2中两输入端V_i ⁺和V_i ^-短路之后对地接入5～10V之内的一个50Hz交流正弦信号，以模拟市电干扰。使用示波器同时观察此正弦输入信号和放大电路的V_O ⁺和V_O ^-之间的50Hz输出信号。反复调整电位器R₀可以使输出50Hz波形的幅度达到最小即可。

Claims (1)

1.一种超声波流量计的高输入阻抗差动前置放大器电路，其特征在于：包括高压保护电路、CMRR调整电路、集成运算放大器，所述高压保护电路：包括电阻R1、电阻R11、二极管D1、二极管D2，所述CMRR调整电路包括电位器R0、电阻R2、电阻R12，所述集成运算放大器，包括集成运放电路A1、集成运放电路A2、电阻R6、电阻R16、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电容C1、电容C2，其中两只电阻R1和电阻R11与保护二极管D1和二极管D2组成串联回路形式的限幅电路，二极管D1、二极管D2反相并联的两端分别经电阻R2、电阻R12与集成运放电路A1、集成运放电路A2的同相输入端相联，电位器R0直接或间接与高压保护电路及集成运放电路输入端相联，调整电位器R0的阻值，可以改变各个直流电阻总体的对称平衡性，集成运放电路A1的正反馈回路中设置有电阻R3、电阻R4、电阻R5和电容C1组成的T形网络，其中电阻R3、电阻R4和电阻R5各有一端联在一起，它们的另一端中，电阻R4接地、电阻R3接集成运放电路A1的同相输入端、电阻R5经电容C1接集成运放电路A1的输出端VO+，集成运放电路A2的正反馈回路设置有电阻R13、电阻R14、电阻R15和电容C2组成的T形网络，其中电阻R13、电阻R14和电阻R15各有一端联在一起，它们的另一端中，电阻R14接地、电阻R13接集成运放电路A2的同相输入端，电阻R15经电容C2接集成运放电路A2的输出端VO一，设置在集成运放电路A1和集成运放电路A2的两个负反馈电阻R6和电阻R16，以控制前置放大器的增益，其中电阻R6一端接集成运放电路A1的输出端，另一端接反相输入端，电阻R16一端接集成运放电路A2的输出端，另一端接反相输入端。

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