一种超声波物位计的回波信号处理电路的制作方法

本发明属于一种信号处理电路，具体涉及一种超声波物位计的回波信号处理电路。

背景技术：

最常用的一种物位测量方法是利用超声波物位计进行非接触检测。与其他方法相比，超声波物位计具有结构简单，安装方便，实时性好，对恶劣环境适应较强，不易受光线、粉尘、烟雾和电磁干扰的影响等优势。但目前现有的超声波液位计的测量分辨率较低，一般分辨率为3.5mm～5mm，虽然可以满足工业自动控制的一般要求，但无法满足对测量物位要求更高的其他系统的要求。

现有技术的显著缺点是：超声波回波在空气中衰减极大，由于测量距离的不同，造成回波信号幅值的变化很大，不同幅度回波信号在通过固定门限比较器的整形过程中，回报到达时间的距离产生较大的误差。目前采用的时间修正放大器增益(tga)和自动增益控制(agc)相结合的方法，无法满足高分辨率的测量要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种实时在线测量、响应速度快、分辨率高、较好的噪声抑制能力、检测性能稳定可靠的超声波物位计的回波信号处理电路，以解决现有技术误差大、分辨率低、可靠性差的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超声波物位计的回波信号处理电路，包括钳位限幅及消振电路、超声波回波前置放大电路、时间增益补偿电路、对数放大电路和信号滤波及整形电路，所述钳位限幅及消振电路的输入端接收超声波换能器接收的差分信号，钳位限幅及消振电路的输出端与超声波回波前置放大电路的输入端相连；超声波回波前置放大电路的输出端与时间增益补偿电路的输入端相连；时间增益补偿电路的输出端与对数放大电路的输入端相连；对数放大电路的输出端与信号滤波及整形电路的输入端相连；信号滤波及整形电路的输出端输出变换后的ad采样信号。

优选的，所述的钳位限幅及消振电路设置有电阻r13、电阻r17和电阻r21；还设置有二极管(d2、d3、d4、d5、d6、d7)，电阻r17的上端和下端分别连接超声波换能器接收的差分信号echo_input+和echo_input-，电阻r17的上端连接电阻r13的前端，电阻r17的下端连接电阻r21的前端，电阻r13的后端连接二极管d3的阴极，电阻r13的后端连接二极管d2的阳极；电阻r21的后端连接二极管d6的阳极，电阻r21的后端连接二极管d7的阴极；二极管d3的阳极接二极管d5的阴极，二极管d5的阳极接二极管d6的阴极，二极管d2的阴极接二极管d4的阳极，二极管d4的阴极接二极管d7的阳极；所述的钳位限幅及消振电路还设置有n沟道场效应管q1、n沟道场效应管q2、二极管d1和二极管d8以及电容电阻，二极管d2的阳极连接电阻r14的前端，二极管d7的阴极连接电容c19的前端，电容c19的后端连接电容c20的前端，电容c20的后端连接电阻r22的前端，该第十、第二十五电阻r10、r25的前端连接cpu控制信号con_bss123，电阻r10后端连接n沟道场效应管q1的g极,电阻r25后端连接n沟道场效应管q2的g极,电容c14的前端连接n沟道场效应管q1的g极,电容c14的后端连接gnd，电容c21的前端连接n沟道场效应管q2的g极,电容c21的后端连接gnd，n沟道场效应管q1和n沟道场效应管q2的源极连接gnd，二级管d1的阴极连接n沟道场效应管q1的漏极，二级管d1的阳极连接gnd，二级管d8的阴极连接n沟道场效应管q2的漏极，二级管d8的阳极连接gnd，电阻r11的后端连接电阻r14的后端且输出信号csb_sig+，电阻r24的后端连接电阻r22的后端且输出信号csb_sig-。

优选的，所述超声波回波前置放大电路设置有运算放大器u3以及电容电阻；电阻r15的前端连接钳位限幅及消振电路的输出信号csb_sig-，电阻r15的后端连接运算放大器u3的反相输入端，电阻r18的前端连接钳位限幅及消振电路的输出信号csb_sig+，电阻r18的后端连接运算放大器u3的同相输入端，电容c15跨接在运算放大器u3的同相输入端和反相输入端，电阻r12的前端连接运算放大器u3的反向输入端，电阻r12的后端连接gnd，电阻r19的前端连接运运算放大器u3的同向输入端，电阻r19的后端连接gnd，电阻r16跨接在运算放大器u3的反相输入端和输出端，电阻r20跨接在运算放大器u3的同相输入端和正电源输入端，电阻r23的前端连接电源vcc_omp，电阻r23的后端连接运算放大器u3的正电源输入端，电容c18的前端连接运算放大器u3的正电源输入端，电容c18的后端连接gnd，电容c16的前端连接运算放大器u3的输出端，电容c16的后端连接电容c17的前端,电容c17的后端输出信号signal_csb。

优选的，所述时间增益补偿电路设置有mcp41010型号的数字定位器芯片u4、运算放大器u5和运算放大器u6以及电阻(r31、r32、r27、r28、r29、r33)和电容(c23、c24、c28、c26、c29)；运算放大器u6的同相输入端连接电阻r32的后端，电阻r32的前端连接电源vcc_b2，电阻r31与电容c26并联，电阻r31的前端连接运算放大器u6的同相输入端，电阻r31的后端连接gnd，运算放大器u6的反相输入端连接输出端构成电压跟随电路；所述数字定位器芯片u4的第一脚cs、第二脚sck、第三脚si由cpu的i/o引脚控制，数字定位器芯片u4的第五脚pa0连接运算放大器u6的输出端，数字定位器芯片u4的第六脚pw0、第七脚pb0短接；运算放大器u5，运算放大器u5的反相输入端连接电容c24的后端，电容c24的前端连接电阻r28的后端，电阻r28的前端连接超声波回波前置放大电路的输出信号signal_csb，电阻r28的后端连接电阻r27的前端，电阻r28的后端连接电阻r29的前端，电阻r29与电容c23并联，电阻r29的后端连接运算放大器u5的输出端，电阻r28的后端连接数字定位器芯片u4的第六脚pw0端，电阻r27的后端连接数字定位器芯片u4的第五脚pa0端，电阻r33的前端连接数字定位器芯片u4的第五脚pa0端，电阻r33的后端连接运算放大器u5的同相输入端，电容c28和电容c29并联，电容c28的前端连接运算放大器u5的同相输入端，电容c28的后端连接gnd，运算放大器u5的输出端信号sig_log_amp。

优选的，所述对数放大电路设置有对数放大芯片ad8310以及电阻(r2、r3、r5、r7)和电容(c1、c2、c3、c5、c6、c7、c10、c11、c12、c13)，电容c6的前端连接时间增益补偿电路输出端信号sig_log_amp，电容c6的后端连接电阻r2的前端，电阻r2后端连接对数放大芯片ad8310的第八引脚inhi，电容c1和电容c5并联且前端和后端分别连接在连接对数放大芯片ad8310的第八引脚inhi和第一引脚inlo，电容c2的前端连接gnd，电容c2的后端连接对数放大芯片ad8310的第八引脚inhi，电容c3的前端连接gnd，电容c3的后端连接对数放大芯片ad8310的第一引脚inlo，电阻r3的前端连接对数放大芯片ad8310的第一引脚inlo，电阻r3的后端连接电容c7的前端，电容c7的后端连接gnd，对数放大芯片ad8310的第二引脚comm连接gnd，对数放大芯片ad8310的第七引脚连接vcc_b2，电阻r7和电容c11并联，电阻的前端连接对数放大芯片ad8310的第六引脚bfin,电阻的后端连接gnd，电容c12和电容c13并联，电容c12的前端连接对数放大芯片ad8310第五引脚vpos且连接至vout_adj，电容c12的后端连接gnd，电容c10的前端连接对数放大芯片ad8310的三引脚oflt，电容c10的后端连接gnd，电阻r5的前端连接数放大芯片ad8310的第四引脚vout，电阻r5的后端输出信号vout_log_amp。

优选的，所述信号滤波及整形电路设置有运算放大器ad8541以及电容c4、电容c9和电阻(r1、r4、r5、r6、r8、r9)，电阻r5的前端连接对数放大电路的输出端信号vout_log_amp，电阻r5的后端连接电阻r1的前端，电阻r5的后端连接电容c4的前端，电阻r1的后端连接运算放大器ad8541的同相输入端，电容c4的后端连接运算放大器ad8541的输出端，电容c9的前端连接运算放大器ad8541的同相输入端，电容c9的后端连接gnd，电阻r6的前端连接电源vcc_b2，电阻r6的后端连接运算放大器ad8541的反相输入端，电阻r9的前端连接运算放大器ad8541的反相输入端，电阻r9的后端连接gnd，电阻r8的前端连接运算放大器ad8541的反相输入端，电阻r8的后端连接运算放大器ad8541的输出端，电阻r4的前端连接运算放大器ad8541的输出端，电阻r4的后端连接输出信号adc_samp,信号adc_samp连接到cpu的a/d采集io口。

优选的，所述运算放大器u3、运算放大器u5和运算放大器u6的型号均为lmv751。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的超声波物位计的回波信号处理电路，利用收发一体的超声波换能器来实现，使得换能器在发射超声波的同时，其固有的噪声信号也被回波接收电路所处理；为实现系统的功能，去除滤波后位于噪声内的驱动脉冲的固有噪声干扰，把纯净的回波接收信号送到后端电路。本发明利用mosfet开关电路来实现噪声抑制的作用；当系统发射驱动脉冲时，打开开关，让接收到的信号通过mos直接开关导地，以驱动固有的噪声干扰，当接收回波信号时，关闭开关，回波接收信号得以进入后端信号调理电路。2)本发明的超声波物位计的回波信号处理电路，超声波回波在空气中传播时，随着传播距离的增加，其总能量逐渐减弱，为了提高测量精度，必须对衰减的回波进行增益补偿；本发明采用了时间增益补偿电路，时间增益补偿电路是一种增益g(db值)与回波时间t成正比的一种放大电路，本发明中增益控制采用了数字电位器，利用cpu的强大功能，将cpu内部事先设定的，经过实验而得到的补偿数据对数字电位器进行抽头状态控制，利用cpu控制数字电位器，电路实现简单、增益控制范围大且补偿特性能根据实际情况调整。

3)本发明的超声波物位计的回波信号处理电路，采用对数放大器电路，可以对超声波回波信号实现非线性压缩，使得对数放大器的输出信号和超声波回波的输入信号的包络成对数比例，并对信号动态范围的压缩无需像agc电路那样提取输入信号的电平来控制增益，对宽动态范围的超声波回波信号能够达到更好的压缩性能。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的钳位限幅及消振电路原理图；

图3为本发明的超声波回波前置放大电路原理图；

图4为本发明的时间增益补偿电路原理图；

图5为本发明的对数放大电路原理图；

图6为本发明的信号滤波及整形电路原理图。

图中：1钳位限幅及消振电路；2超声波回波前置放大电路；3时间增益补偿电路；4对数放大电路；5信号滤波及整形电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行亲楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种超声波物位计的回波信号处理电路，包括钳位限幅及消振电路1、超声波回波前置放大电路2、时间增益补偿电路3、对数放大电路4和信号滤波及整形电路5，钳位限幅及消振电路1的输入端接收超声波换能器接收的差分信号，钳位限幅及消振电路1的输出端与超声波回波前置放大电路2的输入端相连；超声波回波前置放大电路2的输出端与时间增益补偿电路3的输入端相连；时间增益补偿电路3的输出端与对数放大电路4的输入端相连；对数放大电路4的输出端与信号滤波及整形电路5的输入端相连；信号滤波及整形电路5的输出端输出变换后的ad采样信号。

请参阅图2，钳位限幅及消振电路1设置有电阻r13、电阻r17和电阻r21；还设置有二极管(d2、d3、d4、d5、d6、d7)，电阻r17的上端和下端分别连接超声波换能器接收的差分信号echo_input+和echo_input-，电阻r17的上端连接电阻r13的前端，电阻r17的下端连接电阻r21的前端，电阻r13的后端连接二极管d3的阴极，电阻r13的后端连接二极管d2的阳极；电阻r21的后端连接二极管d6的阳极，电阻r21的后端连接二极管d7的阴极；二极管d3的阳极接二极管d5的阴极，二极管d5的阳极接二极管d6的阴极，二极管d2的阴极接二极管d4的阳极，二极管d4的阴极接二极管d7的阳极；钳位限幅及消振电路1还设置有n沟道场效应管q1、n沟道场效应管q2、二极管d1和二极管d8以及电容电阻，二极管d2的阳极连接电阻r14的前端，二极管d7的阴极连接电容c19的前端，电容c19的后端连接电容c20的前端，电容c20的后端连接电阻r22的前端，该第十、第二十五电阻r10、r25的前端连接cpu控制信号con_bss123，电阻r10后端连接n沟道场效应管q1的g极,电阻r25后端连接n沟道场效应管q2的g极,电容c14的前端连接n沟道场效应管q1的g极,电容c14的后端连接gnd，电容c21的前端连接n沟道场效应管q2的g极,电容c21的后端连接gnd，n沟道场效应管q1和n沟道场效应管q2的源极连接gnd，二级管d1的阴极连接n沟道场效应管q1的漏极，二级管d1的阳极连接gnd，二级管d8的阴极连接n沟道场效应管q2的漏极，二级管d8的阳极连接gnd，电阻r11的后端连接电阻r14的后端且输出信号csb_sig+，电阻r24的后端连接电阻r22的后端且输出信号csb_sig-。请参阅图3，超声波回波前置放大电路2设置有运算放大器u3以及电容电阻，运算放大器u3的型号为lmv751；电阻r15的前端连接钳位限幅及消振电路1的输出信号csb_sig-，电阻r15的后端连接运算放大器u3的反相输入端，电阻r18的前端连接钳位限幅及消振电路1的输出信号csb_sig+，电阻r18的后端连接运算放大器u3的同相输入端，电容c15跨接在运算放大器u3的同相输入端和反相输入端，电阻r12的前端连接运算放大器u3的反向输入端，电阻r12的后端连接gnd，电阻r19的前端连接运运算放大器u3的同向输入端，电阻r19的后端连接gnd，电阻r16跨接在运算放大器u3的反相输入端和输出端，电阻r20跨接在运算放大器u3的同相输入端和正电源输入端，电阻r23的前端连接电源vcc_omp，电阻r23的后端连接运算放大器u3的正电源输入端，电容c18的前端连接运算放大器u3的正电源输入端，电容c18的后端连接gnd，电容c16的前端连接运算放大器u3的输出端，电容c16的后端连接电容c17的前端,电容c17的后端输出信号signal_csb。

请参阅图4，时间增益补偿电路3设置有mcp41010型号的数字定位器芯片u4、运算放大器u5和运算放大器u6以及电阻(r31、r32、r27、r28、r29、r33)和电容(c23、c24、c28、c26、c29)，运算放大器u5和运算放大器u6的型号均为lmv751；运算放大器u6的同相输入端连接电阻r32的后端，电阻r32的前端连接电源vcc_b2，电阻r31与电容c26并联，电阻r31的前端连接运算放大器u6的同相输入端，电阻r31的后端连接gnd，运算放大器u6的反相输入端连接输出端构成电压跟随电路；数字定位器芯片u4的第一脚cs、第二脚sck、第三脚si由cpu的i/o引脚控制，数字定位器芯片u4的第五脚pa0连接运算放大器u6的输出端，数字定位器芯片u4的第六脚pw0、第七脚pb0短接；运算放大器u5，运算放大器u5的反相输入端连接电容c24的后端，电容c24的前端连接电阻r28的后端，电阻r28的前端连接超声波回波前置放大电路3的输出信号signal_csb，电阻r28的后端连接电阻r27的前端，电阻r28的后端连接电阻r29的前端，电阻r29与电容c23并联，电阻r29的后端连接运算放大器u5的输出端，电阻r28的后端连接数字定位器芯片u4的第六脚pw0端，电阻r27的后端连接数字定位器芯片u4的第五脚pa0端，电阻r33的前端连接数字定位器芯片u4的第五脚pa0端，电阻r33的后端连接运算放大器u5的同相输入端，电容c28和电容c29并联，电容c28的前端连接运算放大器u5的同相输入端，电容c28的后端连接gnd，运算放大器u5的输出端信号sig_log_amp。

请参阅图5，对数放大电路4设置有对数放大芯片ad8310以及电阻(r2、r3、r5、r7)和电容(c1、c2、c3、c5、c6、c7、c10、c11、c12、c13)，电容c6的前端连接时间增益补偿电路3输出端信号sig_log_amp，电容c6的后端连接电阻r2的前端，电阻r2后端连接对数放大芯片ad8310的第八引脚inhi，电容c1和电容c5并联且前端和后端分别连接在连接对数放大芯片ad8310的第八引脚inhi和第一引脚inlo，电容c2的前端连接gnd，电容c2的后端连接对数放大芯片ad8310的第八引脚inhi，电容c3的前端连接gnd，电容c3的后端连接对数放大芯片ad8310的第一引脚inlo，电阻r3的前端连接对数放大芯片ad8310的第一引脚inlo，电阻r3的后端连接电容c7的前端，电容c7的后端连接gnd，对数放大芯片ad8310的第二引脚comm连接gnd，对数放大芯片ad8310的第七引脚连接vcc_b2，电阻r7和电容c11并联，电阻的前端连接对数放大芯片ad8310的第六引脚bfin,电阻的后端连接gnd，电容c12和电容c13并联，电容c12的前端连接对数放大芯片ad8310第五引脚vpos且连接至vout_adj，电容c12的后端连接gnd，电容c10的前端连接对数放大芯片ad8310的三引脚oflt，电容c10的后端连接gnd，电阻r5的前端连接数放大芯片ad8310的第四引脚vout，电阻r5的后端输出信号vout_log_amp。

请参阅图6，信号滤波及整形电路5设置有运算放大器ad8541以及电容c4、电容c9和电阻(r1、r4、r5、r6、r8、r9)，电阻r5的前端连接对数放大电路4的输出端信号vout_log_amp，电阻r5的后端连接电阻r1的前端，电阻r5的后端连接电容c4的前端，电阻r1的后端连接运算放大器ad8541的同相输入端，电容c4的后端连接运算放大器ad8541的输出端，电容c9的前端连接运算放大器ad8541的同相输入端，电容c9的后端连接gnd，电阻r6的前端连接电源vcc_b2，电阻r6的后端连接运算放大器ad8541的反相输入端，电阻r9的前端连接运算放大器ad8541的反相输入端，电阻r9的后端连接gnd，电阻r8的前端连接运算放大器ad8541的反相输入端，电阻r8的后端连接运算放大器ad8541的输出端，电阻r4的前端连接运算放大器ad8541的输出端，电阻r4的后端连接输出信号adc_samp,信号adc_samp连接到cpu的a/d采集io口。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。