超聲波流量計高分辨率A/D轉換電路設計與實(shí)現

    0 引言

    根據美國FlowResearch機構2005年調查報告[1]，超聲流量計的年銷(xiāo)售額超過(guò)30億美元，占所有類(lèi)型流量計銷(xiāo)售總額的10%。超聲波流量計具有精確度高、測量無(wú)阻礙、方便安裝以及低成本等優(yōu)點(diǎn)，正在快速發(fā)展成為流量測量領(lǐng)域的首選。近幾年來(lái)，隨著(zhù)硬件和數字信號處理技術(shù)的改進(jìn)，流量的測量精度得到不斷提高，高精度成為新型超聲波流量計研究的重點(diǎn)[2]。

    超聲波流量計時(shí)差測量法在工業(yè)界應用已有30年歷史，具有精度高和可靠性好的特點(diǎn)，它是根據超聲波信號順流傳播時(shí)間和逆流傳播時(shí)間之差來(lái)計算流速，進(jìn)而求得流量[3]。由于超聲波信號的傳播速度很快（在液體中為1500m/s左右），傳播的時(shí)間非常短，對超聲波信號的數據采集系統提出很大的要求。為了達到更高的測量精度，關(guān)鍵在于達到ns級以上的時(shí)間差測量，在低流速液體測量時(shí)要求則更高，所以采用高分辨率A/D轉換達到高分辨率的實(shí)時(shí)數據采集變得至關(guān)重要。

    在12位高精度，數MHz以上采樣率的ADC中，流水線(xiàn)結構是目前在各關(guān)鍵指標較好的[4-6]，因此采用12位流水線(xiàn)結構A/D轉換的ADC12DL040來(lái)實(shí)現高精度超聲波流量計ns級時(shí)間差的信號采集，其分辨電壓的最小值為1/4096，并給出了ADC12DL040的引腳電路和流水線(xiàn)結構圖原理，采樣過(guò)程流程圖以及A/D轉換C程序關(guān)鍵代碼，設計并實(shí)現了400kHz輸入信號的8MHz的高速高分辨率采樣。

    1 時(shí)差法超聲波流量計原理與關(guān)鍵問(wèn)題

    1.1 時(shí)差法超聲波流量計測量原理

    時(shí)差法超聲波流量計是利用超聲波在流體介質(zhì)中傳播時(shí)順流和逆流方向傳播的時(shí)間差來(lái)實(shí)現對流體的流速和流量信息的測量。圖1是時(shí)差法超聲波流量計的測量原理圖。

圖1 時(shí)差法超聲波流量計測量原理圖

    如圖1所示，設液體介質(zhì)運輸管道的直徑為D，介質(zhì)流速為υ，換能器A，B與運輸管道中軸的夾角為θ，超聲波在介質(zhì)中傳播的速率為c，設超聲波在液體中順流所需的時(shí)間為t1=逆流時(shí)所需的時(shí)間為順流與逆流的時(shí)間差，因為c>>v，超聲波傳播時(shí)間差近似等于。

    于是得到流速與時(shí)間差的關(guān)系式：

    因而得到超聲波流量計時(shí)差測量法的理論基礎。其中，不同溫度條件下超聲波在液體中的傳播速度c略有變化[7]。

    1.2 時(shí)差法超聲波流量計的關(guān)鍵問(wèn)題

    時(shí)差法超聲波流量計順流逆流時(shí)間差是否精確測量直接影響超聲波流量計的計量精度，因此對高精度的超聲波流量計，選用適合的數據采集系統對順逆流時(shí)間差精確是十分必要的[8]。A/D芯片是數據采集系統的核心器件，數據采集系統性能在很大程度上取決于A(yíng)/D芯片的選取。因此，高精度時(shí)差法超聲波流量計的最大難點(diǎn)在于如何構建最適合的高分辨率A/D數據采樣系統。例如，超聲波在潔凈水中的傳播速度約為1450m/s，在管徑D=300mm、流體流速υ=1.33m/s的條件下，順逆流時(shí)間差約為1μs，要保證測量達到0.5%的測量精度，要求測量的時(shí)間差的分辨率要達到1～2μs才能實(shí)現，順、逆流傳播時(shí)間的測量分辨率也應該在ns，乃至ps級。

    ADC的高分辨率從以下方面考慮：

    （1）選擇A/D采樣系統的分辨率參數[9]。分辨率是A/D轉換器能夠識別的最小模擬輸入量，用二進(jìn)制位數表示處理數字碼位數的能力。選擇12位A/D轉換器，其分辨率為2¹²，用百分數表示：1/2¹²×100%=1/4096×100%=0.0244%。由于采用流水線(xiàn)技術(shù)，高速A/D采樣轉換速率比轉換時(shí)間快得多，在前一次轉換完成之前就開(kāi)始新的轉換。因此，選擇流水線(xiàn)結構ADC。

    （2）選擇影響高分辨率的頻率大小。假設超聲波信號頻率為fs，采樣頻率為f_A/D，信號頻率fs直接決定分辨率最小時(shí)間。選擇的超聲波信號頻率fs為400kHz。如果輸入信號頻率小于400kHz，ADC電路損耗較大。如果輸入信號遠大于400kHz，如1MHz時(shí)ADC的二級余差信號失真度較高，故最好工作在400kHz輸入信號。分辨率最小時(shí)間為=0.305ns。采樣頻率f_A/D關(guān)系到ARM是否能實(shí)現高速采樣數據存儲。選擇8MHz采樣頻率，ARM的頻率為80MHz，通過(guò)FIFO數據緩存能夠實(shí)時(shí)完成高速數據讀寫(xiě)操作。

    2 A/D轉換電路設計

    2.1 ADC12DL040

    對于高精度超聲波流量計ns級的時(shí)間測量需要高速高分辨率數據采集電路，將模擬信號轉換為數字信號，送入CPU中，最終達到測量納秒級時(shí)間差的目的。因此，對ADC分辨率和采樣速度綜合要求較高，再綜合考慮功耗，體積，兼容性等其他因素，最終決定選用ADC12DL040作為系統模數轉換芯片。

    ADC12DL040[10]是一種高性能、單電源+3V、最高采樣頻率為40MSPS的雙路12位低功耗單片ADC，采用有數字誤差修正差分流水線(xiàn)架構，片內有采樣保持電路和基準電壓源，滿(mǎn)功率帶寬位250MHz，有11.1有效位（ENOB）。這款芯片的整個(gè)差分信號輸入范圍是2Vpp，共模輸入電壓是1.5V，而輸入電容是8pF．此外，ADC12DL040模/數轉換器的交流電特性也很好，不但信噪比極高（69dB），而且以10MHz的輸入信號來(lái)說(shuō)，無(wú)雜散信號動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）可達83dB，確保模/數轉換器所產(chǎn)生的假信號遠比要接收的信號小。工作時(shí)功耗210mW，低功耗特性把功耗降低到3.6mW，輸出電壓2.4～3.6V，有復接輸出模式，占空比穩定器，工作溫度-40～85℃，64引腳TQFP封裝，可用在超聲波和成像、儀器儀表、通信接收器、聲納/雷達、xDSL和線(xiàn)纜調制解調器以及DSP前端。其主要參數與特性見(jiàn)表1。

表1 ADC12DL040主要參數與特性

    2.2 ADC12DL040外部電路

    圖2為ADC12DL040的外部引腳電路圖，對于高速A/D轉換放大電路和A/D轉換電路應盡可能的靠近放置，放大電路和A/D轉換電路都要求與濾波器件臨近放置，則在放大電路輸出跡線(xiàn)上具有最低的寄生負載效應，而模數轉換電路則對可能耦合至輸入線(xiàn)路的噪聲極為敏感。A/D轉換電路的數字輸出應與模擬輸入良好的隔離開(kāi)。放大電路和A/D轉換電路相鄰引腳間距應在2mm以?xún)取?/p>

圖2 ADC12DL040的外部引腳電路圖

    3 超聲波流量計工作原理

    3.1 硬件結構圖

    高精度超聲波流量計時(shí)間差數據采集系統硬件包括換能器、放大電路、濾波電路、A/D轉換器和CPU等。其中超聲波流量計時(shí)間差的精密測量主要由A/D采樣電路模塊完成，A/D采樣的分辨率直接決定時(shí)間的測量精度，對超聲波流量計的精度起決定性作用。A/D、CPU為系統硬件的核心，實(shí)現對數據的采集、分析和處理。A/D轉換器采用ADC12DL040，CPU采用ARM7微處理器LPC2138，主要進(jìn)行信號的處理與通訊等。其采樣系統框圖如圖3所示。

圖3 硬件結構圖

    超聲波信號經(jīng)過(guò)換能器轉換超聲波機械振動(dòng)信號為電信號，經(jīng)過(guò)放大電路、濾波電路后，由雙通道12位A/D轉換器ADC12DL040進(jìn)行數據轉換，將模擬信號轉換成12位的數字信號，然后將實(shí)施采樣的數據存儲到CPU中。

    3.2 系統流程框圖及關(guān)鍵代碼

    超聲波流量計數據采集的A/D轉換流程設計時(shí)要特別注意：A/D轉換器啟動(dòng)后首先清空轉換結果寄存器，以免上一次的采樣數據對當前采樣造成不必要的誤差影響。超聲波流量計A/D采樣的軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

    軟件在Keil中進(jìn)行編碼，以下列出A/D轉換中C程序部分關(guān)鍵代碼。

    4 結束語(yǔ)

    設計并實(shí)現超聲波流量計的高分辨率A/D轉換電路成為高精度流量計技術(shù)的重點(diǎn)難點(diǎn)。文中在時(shí)差理論研究基礎上，采用A/D轉換器ADC12DL040設計并實(shí)現了高精度超聲波流量計ns級時(shí)間差的信號采集，分辨電壓的最小值為1/4096，分辨最小時(shí)間為0.305ns，理論分析了ADC12DL040的電路原理，給出ADC12DL040外圍電路設計、A/D采樣過(guò)程流程圖及A/D轉換C程序關(guān)鍵代碼，實(shí)現了采用時(shí)差測量法的超聲波流量計400kHz輸入信號，8MHz采樣頻率的高分辨率實(shí)時(shí)采樣。對于更高頻的超聲波信號如1MHz，僅采用CPU不足以滿(mǎn)足高頻信號的實(shí)時(shí)采集，可以在數據采集電路中選用FPGA進(jìn)行高頻實(shí)時(shí)采樣。

    參考文獻：

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