超聲波流量計技術亮點 四
4 時間放大法時間放大法
一般是指雙積分時間放大法，此方法的原理波形見于圖1。設圖1中發射信號與接收信號之間所對應的微小時間為t1，它被放大100倍得到t2。則若t1對應計時器計數為n，而用相同的計數器在t2期間對超聲脈沖計數，計數值將在100n ～（100n+99）之間。可見這種檢測方法增加了兩位有效數字。在這種電路中，第一次積分是在圖1的t1期間，以恒定積分常數τ進行正向積分；積分結束后，立即以100τ的積分常數反向積分到0V時刻為止，則反向積分時間t2=100t1。這就實現了時間的比例放大，在相同的計時頻率下，實現了時間采樣分辨力的提高。一般情況，這種雙積分時間放大法，會利用電容器作為儲能元件，在t1時間內，控制充電開關通過一個小電阻對電容充電，t1到達時，停止充電，電容電壓達到最高，然后斷開充電開關，控制放電開關通過一個大電阻緩慢放電直到0V，即為時間t2，實現了時間放大。為使對應不同的充電時間均以相同的比例被放大，則電容器必須要保持線性或近似線性充放電。然而，RC電路的充放電規律為指數變化，只有在以恒定電流充放電[2]的情況下，才可以近似按照線性充放電處理。注意到圖2展示了一種通過恒流源控制電容線性充放電，從而實現線性時間放大的電路。輸入脈沖控制電子開關U1的導通截止。電阻R2和電容C1以及運算放大器NV1，組成了一個充電的恒流源，電阻R1與電容C1以及運算放大器NV1，組成了一個放電恒流源。當信號Vi輸入高電平時，電子開關導通，充電恒流源以恒定的電流對電容C1進行充電，同時放電恒流源對電容C1進行放電；當信號Vi輸入低電平時，電子開關開路，充電恒流源不再充電，放電恒流源仍對電容C1進行放電。那么假如充電時間為t1，那么放電時間為。由于在充電時，放電恒流源也在工作，實際充放電的比例關系為。這個信號在比較器NV2的作用下，能夠翻轉出相應時間放大倍數的方波，實現了時間的線性放大。
5 結束語
本文通過與幾種提高時間分辨力方法的對比，可以發現雙積分時間放大法，成本低，功耗小，電路簡單易行，穩定性好，是一種行之有效的提高超聲波流量計分辨力的方法。它可以避免采用高頻器件帶來的一系列成本及電路上的困難。
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