超声波液位计自动校正液位的探讨  二十六

4.3 超声信号调理电路

在超声液位测量中，需要设计一个小信号放大器电路，用以对传感器输出的待测超声电信号进行放大。由于来自校正反射块的回波强度和液面的回波强度相差较大，并且液面回波随着距离变化其回波信号动态范围也较大，因此要求放大器具有较高的带宽，较宽的增益动态范围。由于超声信号工作在脉冲方式，原始信号强度很弱，而脉冲方式的各种干扰和噪声比较强，设计合理有效的信号滤波电路是超声信号放大系统的关键点之一。

4.3.1 超声信号放大电路

在 1500mm 高度的航空煤油中，超声回波的原始信号幅值降到10mV 左右，且由于原始电信号幅度范围较宽，随距离远近变化范围可达到几十倍，因此在提高信噪比的同时防止信号阻塞，必须采用可变增益电路。

采用集成运放构成的放大器具有高放大倍数、高输入阻抗、低输出阻抗的特性，是一种直接耦合的放大电路[28]。设计出两级固定放大和一级程控增益放大的高频可变增益的三级小信号放大器。

三级放大器都采用同相放大结构，在放大倍数分配上，做到小信号高增益，大信号低增益。带反馈回路集成运放电路是一个反馈控制系统，用于高频小信号放大时，极易产生自激振荡，因此在反馈回路中并联电容C10、C20、C30，改善反馈系统的零极点配置，以消除自激振荡；并联电容的大小根据参考文献和实验尝试确定。

4.3.2 超声信号滤波电路

超声信号上升沿不仅取决于换能器的中心频率，而且与换能器的带宽有关，带宽越宽，上升沿越陡，所以要获得比较陡的上升沿，必须要用宽带换能器，这就要求滤波电路也相应为宽带滤波电路。由于脉冲发射信号中心频率高达2.5MHz，但维持的时间很短，能量主要分布在低频部分，且信道对高频分量的衰减大于低频分量；同时换能器的接收信号的高频分量仍然比低频分量小得多，所以滤波器必须有很好的低阻特性。出现强高频干扰源时，一般的高通滤波无法正常工作，此时就必须采用带通滤波器。

另一方面由于放大器所放大的信号为高频信号，消除高频噪声的干扰成为整个放大器设计的难点，因此放大器各级间的信号耦合、噪声去耦、电源的稳定性以及地线的处理显得尤其重要。采用线性电源作各级放大器的稳压电源，以三端稳压器L7808 和L7908 及外围器件为模拟多路开关CD4052 供电，各级放大器及模拟开关周围用瓷片电容做电源去耦，在放大器级间分别采用瓷片电容和金属模电阻对信号进行高通滤波形式的阻容耦合，可计算RC 滤波的转折频率。

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