超声波流量计技术亮点  四

4 时间放大法时间放大法

一般是指双积分时间放大法，此方法的原理波形见于图1。设图1中发射信号与接收信号之间所对应的微小时间为t1，它被放大100倍得到t2。则若t1对应计时器计数为n，而用相同的计数器在t2期间对超声脉冲计数，计数值将在100n ～（100n+99）之间。可见这种检测方法增加了两位有效数字。在这种电路中，第一次积分是在图1的t1期间，以恒定积分常数τ进行正向积分；积分结束后，立即以100τ的积分常数反向积分到0V时刻为止，则反向积分时间t2=100t1。这就实现了时间的比例放大，在相同的计时频率下，实现了时间采样分辨力的提高。一般情况，这种双积分时间放大法，会利用电容器作为储能元件，在t1时间内，控制充电开关通过一个小电阻对电容充电，t1到达时，停止充电，电容电压达到最高，然后断开充电开关，控制放电开关通过一个大电阻缓慢放电直到0V，即为时间t2，实现了时间放大。为使对应不同的充电时间均以相同的比例被放大，则电容器必须要保持线性或近似线性充放电。然而，RC电路的充放电规律为指数变化，只有在以恒定电流充放电[2]的情况下，才可以近似按照线性充放电处理。注意到图2展示了一种通过恒流源控制电容线性充放电，从而实现线性时间放大的电路。输入脉冲控制电子开关U1的导通截止。电阻R2和电容C1以及运算放大器NV1，组成了一个充电的恒流源，电阻R1与电容C1以及运算放大器NV1，组成了一个放电恒流源。当信号Vi输入高电平时，电子开关导通，充电恒流源以恒定的电流对电容C1进行充电，同时放电恒流源对电容C1进行放电；当信号Vi输入低电平时，电子开关开路，充电恒流源不再充电，放电恒流源仍对电容C1进行放电。那么假如充电时间为t1，那么放电时间为。由于在充电时，放电恒流源也在工作，实际充放电的比例关系为。这个信号在比较器NV2的作用下，能够翻转出相应时间放大倍数的方波，实现了时间的线性放大。

5 结束语

本文通过与几种提高时间分辨力方法的对比，可以发现双积分时间放大法，成本低，功耗小，电路简单易行，稳定性好，是一种行之有效的提高超声波流量计分辨力的方法。它可以避免采用高频器件带来的一系列成本及电路上的困难。

超声波流量计