超聲波液位計自動校正液位的探討  二十六

4.3 超聲信號調理電路

在超聲液位測量中，需要設計一個小信號放大器電路，用以對傳感器輸出的待測超聲電信號進行放大。由于來自校正反射塊的回波強度和液面的回波強度相差較大，并且液面回波隨著距離變化其回波信號動態范圍也較大，因此要求放大器具有較高的帶寬，較寬的增益動態范圍。由于超聲信號工作在脈沖方式，原始信號強度很弱，而脈沖方式的各種干擾和噪聲比較強，設計合理有效的信號濾波電路是超聲信號放大系統的關鍵點之一。

4.3.1 超聲信號放大電路

在 1500mm 高度的航空煤油中，超聲回波的原始信號幅值降到10mV 左右，且由于原始電信號幅度范圍較寬，隨距離遠近變化范圍可達到幾十倍，因此在提高信噪比的同時防止信號阻塞，必須采用可變增益電路。

采用集成運放構成的放大器具有高放大倍數、高輸入阻抗、低輸出阻抗的特性，是一種直接耦合的放大電路[28]。設計出兩級固定放大和一級程控增益放大的高頻可變增益的三級小信號放大器。

三級放大器都采用同相放大結構，在放大倍數分配上，做到小信號高增益，大信號低增益。帶反饋回路集成運放電路是一個反饋控制系統，用于高頻小信號放大時，極易產生自激振蕩，因此在反饋回路中并聯電容C10、C20、C30，改善反饋系統的零極點配置，以消除自激振蕩；并聯電容的大小根據參考文獻和實驗嘗試確定。

4.3.2 超聲信號濾波電路

超聲信號上升沿不僅取決于換能器的中心頻率，而且與換能器的帶寬有關，帶寬越寬，上升沿越陡，所以要獲得比較陡的上升沿，必須要用寬帶換能器，這就要求濾波電路也相應為寬帶濾波電路。由于脈沖發射信號中心頻率高達2.5MHz，但維持的時間很短，能量主要分布在低頻部分，且信道對高頻分量的衰減大于低頻分量；同時換能器的接收信號的高頻分量仍然比低頻分量小得多，所以濾波器必須有很好的低阻特性。出現強高頻干擾源時，一般的高通濾波無法正常工作，此時就必須采用帶通濾波器。

另一方面由于放大器所放大的信號為高頻信號，消除高頻噪聲的干擾成為整個放大器設計的難點，因此放大器各級間的信號耦合、噪聲去耦、電源的穩定性以及地線的處理顯得尤其重要。采用線性電源作各級放大器的穩壓電源，以三端穩壓器L7808 和L7908 及外圍器件為模擬多路開關CD4052 供電，各級放大器及模擬開關周圍用瓷片電容做電源去耦，在放大器級間分別采用瓷片電容和金屬模電阻對信號進行高通濾波形式的阻容耦合，可計算RC 濾波的轉折頻率。

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