專利名稱：超聲波流量計的高輸入阻抗差動前置放大器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自動化儀表，特別涉及一種超聲波流量計的高輸入阻抗差動前置放大器電路。
背景技術(shù)：
當(dāng)前超聲波流量計所使用的探頭接口的前置放大電路都使用簡單的接口電路，無論該電 路采用分立元件或集成運放，它們組成的電路的輸入阻抗一般都不超過500kQ，并且不調(diào)整 CMRR。這種簡單設(shè)計的缺陷主要有三點 一是超聲探頭上有超聲波發(fā)射信號和接收信號， 其中的發(fā)射信號有數(shù)十伏特或數(shù)百伏特，必須用50k 300kQ的保護電阻降壓，才能保護前 置放大器；這種保護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。二是在前置放大器輸入阻抗大于100kQ時，又不在放大器的輸入端調(diào)整 CMRR，勢必使一部分共模干擾信號轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_信號，成為后面放大器的放大目標(biāo)，為 流量計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漂、溫漂的交流干擾幅度。上述三點是當(dāng)前超聲波流量計產(chǎn)品中始終沒有解決的問題，它們是超聲波流量計的精度始 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的高度衰減，使之成為超聲波流量計 的高輸入阻抗差動前置放大器電路。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是 一種超聲波流量計的高輸入阻抗差動前置 放大器電路，其特征在于包括高壓保護電路、CMRR調(diào)整電路、集成運算放大器，所述的 高壓保護電路與CMRR調(diào)整電路連接，所述的CMRR調(diào)整電路與集成運算放大器連接。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。2.在提高交流輸入阻抗的同時，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 信號的高度衰減。這種平衡電路設(shè)計將使CMRR之值增加到60dB以上?？傊?，超聲波流量計的高輸入阻抗差動前置放大器電路，可以從探頭獲得很高的輸入電 壓信號，卻從探頭中吸取功率甚小，確保測量精度的提高。


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。
具體實施方式
如圖l、 2所示 一種超聲波流量計的高輸入阻抗差動前置放大器電路，還包括高壓保護 電路，CMRR調(diào)整電路、集成運算放大器組成的放大電路，其中高壓保護電路與CMRR調(diào)整 電路連接，CMRR調(diào)整電路與集成運算放大器組成的放大電路連接。高壓保護電路包括電阻 R,、 Ru、 二極管D!、 D2， CMRR調(diào)整電路包括電位器Ro、電阻R2、 R12，集成運算放大器 包括集成運放電路A,、 A2、電阻Rg、 R16、 R3、 R4、 Rs、 Ri3、 Ri4、 Ris電容C卜C2，其中輸 入信號端子V,+通過電阻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與集成運放電路A!輸出信號端Vo+連 接，集成運放電路Ai輸出信號端子Vo+通過電阻R6與集成運放電路Ai的反相輸入端連接， 輸入信號端子Vi—通過電阻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另一端通過電阻R,2與集成運放電路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與集成運放電路A2輸出信號端子V0—連接，集成運放電路A2輸出信號端子V0—通過電阻R16與集成運放電路A2的反相輸入端連接。上述高壓保護電路兩只阻值在50k 100kQ的電阻R！和Ru與保護二極管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)射信號擊穿運放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被限 制在土0.8V以內(nèi)，高壓保護電路直接或間接與運放輸入端相聯(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 放輸入端相聯(lián)，直接相聯(lián)時，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)致整個前置放大器的CMRR達到60dB以上，調(diào)整電位器Ro的阻值，可以改變各個直 流電阻總體的對稱平衡性，調(diào)整電路的三個元件中，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500k Q。上述集成運算放大器中集成運放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)計在10MQ以上，甚至達到100MQ以上。此值的 設(shè)計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)，兩個集成運放Ai和A2的負反饋端各有負反饋電阻R6二Ri6二(R3+R4)，兩個負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差動輸入、差動輸出前置放大器。以Ai和A2為代表的兩套放大電 路應(yīng)保持它們的總體對稱性，這種保證是由上下兩套電子元件分別對應(yīng)相同而實現(xiàn)的。電阻 配對誤差應(yīng)在±0.5 %范圍之內(nèi)，電容配對誤差應(yīng)該保證在± 5 %以內(nèi)，運放Ai和A2應(yīng)該選 用帶寬增益積在5M 50MHz范圍內(nèi)的雙運放，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)可以驗算直流輸入阻抗Ri=2(Ri+R2+R3+R4)=460K Q 倘不滿足Ri〈500kQ時，可以按比例同時減小R" R2、 R3和R4的阻值，直到滿足時為止。依據(jù)式(2)可以驗算交流輸入阻抗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)計指標(biāo)時，可以同時改變d二C2之值來實現(xiàn)?？梢娫摲糯笃髦绷鬏斎胱杩辜s460kQ，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70MQ ，可以從探頭獲得99%以上的超聲電壓信號。雙運放Al和A2選用型號為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廠短路之后對地接入5 10V之內(nèi)的一個50Hz交流正弦 信號，以模擬市電干擾。使用示波器同時觀察此正弦輸入信號和放大電路的Vo+和V(T之間 的50Hz輸出信號。反復(fù)調(diào)整電位器Ro可以使輸出50Hz波形的幅度達到最小即可。
權(quán)利要求
1、一種超聲波流量計的高輸入阻抗差動前置放大器電路，其特征在于包括高壓保護電路、CMRR調(diào)整電路、集成運算放大器，所述的高壓保護電路與CMRR調(diào)整電路連接，所述的CMRR調(diào)整電路與集成運算放大器連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波流量計的高輸入阻抗差動前置放大器電路，其特征在于，所 述高壓保護電路包括電阻(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)，所述集成運算放大器，包括集成運放電路(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電路及集 成運放電路輸入端相聯(lián)，調(diào)整電位器Ro的阻值，可以改變各個直流電阻總體的對稱平衡 性，集成運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接集成運放電路A2的同相輸入端，Ri5經(jīng)電容C2接集成運放電路A2的輸出端Vo—，設(shè)置在集成運放電路A,和A2的兩個負反饋電阻R6和R16，以控制前置放大器的 增益，其中R6—端接集成運放電路A,的輸出端，另一端接反相輸入端，1116—端接集成運 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的高輸入阻抗差動前置放大器電路。它包括高壓保護電路、CMRR調(diào)整電路、集成運算放大器組成的放大電路，超聲探頭輸入信號通過輸入信號端子到高壓保護電路，高壓保護電路直接或間接與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，而從探頭中吸取功率甚小，確保整機測量精度的提高。
文檔編號G01F1/66GK101251399SQ200810052768
公開日2008年8月27日 申請日期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, 李長齊, 梁玉堂, 王雙存, 皇埔曉蓉, 耿世鈞, 晶 馬 申請人:天津天儀集團儀表有限公司