關于工程管理的論文氣體超聲波流量計可控濾波電路設計
近年來，隨著天然氣能源的快速發(fā)展，對燃氣計量儀表的需求越來越多，氣體超聲波流量計以其自身的優(yōu)勢在我國天然氣計量領域得到了廣泛認可，國產氣體超聲流量計性能不斷提升，正逐步替代國外品牌及傳統(tǒng)流量計。本文主要針對氣體超聲波流量計可控濾波電路設計進行了一些論述，文章是一篇關于工程管理的論文范文。
摘要：本文介紹了氣體超聲波流量計中采用的一種中心頻率可變的帶通濾波電路設計方法，通過軟件控制改變中心頻率以適應不同頻率的換能器，提高流量計抗干擾能力同時方便調試、生產。
關鍵字：氣體超聲波流量計,超聲換能器,可編程濾波器,頻率
氣體超聲波流量計計量系統(tǒng)主要由表體(超聲換能器、測量管段)、信號處理單元、及其配套的溫度和壓力變送器等部分組成。其中負責超聲波信號發(fā)射和接收的超聲換能器以及超聲波信號處理單元正是決定流量計性能指標的關鍵部件，本文重點介紹一種超聲波信號處理單元采用的以開關電容濾波器LTC1264為主，通過處理器以PWM方式控制濾波器中心頻率的電路設計方法。
1、信號處理單元組成
信號處理單元包括超聲換能器驅動、信號放大、濾波、檢波、增益控制、信號識別、計時、處理器等電路�，F(xiàn)場測量環(huán)境中不可避免地存在噪聲干擾。為提高氣體超聲波流量計的抗干擾能力、增強超聲波信號識別的可靠性，對超聲波信號進行濾波處理是非常必要的。濾波電路的種類很多，其主要目的都是實現(xiàn)超聲波信號通過濾波電路能有效的衰減低頻或高頻干擾信號，提取有用的信號，增強實際檢測的信噪比。
2、濾波器參數(shù)分析
設計濾波器時主要考慮的參數(shù)有品質因數(shù)Q值、中心頻率、增益值，Q值和中心頻率決定濾波器帶寬[1]。目前大多數(shù)超聲波流量計使用超聲換能器的頻率一般在60～200KHz之間，根據(jù)LTC1264原理及時鐘與中心頻率之間的關系，通過改變輸給LTC1264的時鐘而改變?yōu)V波器的中心頻率，以匹配不同換能器信號[2]。
濾波器品質因數(shù)高，會衰減接收信號前部分波形幅值，不利于信號識別，特別是對采用電平比較方法來識別信號的流量計，所以本文介紹的濾波器設計的Q值等于1。這樣有利于區(qū)別信號與噪聲，即使管道內氣體流速比較大時，也不易出現(xiàn)丟波或誤觸發(fā)現(xiàn)象，保證聲時測量準確。
接收到換能器信號是十分微弱的，一般只有幾毫伏，每一路接收換能器有一級倍數(shù)固定的前置放大器，前置放大后，有一級增益自動控制電路，實現(xiàn)在不同的氣體壓力和流速下，信號幅度輸出保持一致。有專門的增益調整電路，所以濾波器增益一般設置成H=1。
3、主要元器件介紹
3.1 開關電容濾波器LTC1264
LTC1264是凌力爾特公司推出的一款高速時鐘輸入開關電容濾波器，由4個二階濾波模塊組成，模塊之間可級聯(lián)形成八階濾波器，每個模塊通過外圍幾個電阻能實現(xiàn)低通、高通、帶通及帶阻等功能，其時鐘與中心頻率比內部固定20：1或通過外圍電阻改變。具有多種工作模式，可設計成巴特沃茲、貝塞爾、切比雪夫等濾波器[3]。當Q值小于2，電源電壓工作在正負7V時，最高中心頻率達250KHZ。本電路中采用4個二階濾波器級聯(lián)的方式組成八階帶通濾波器，以衰減信號中的低頻和高頻部分。
3.2、核心處理器
本電路采用了ST公司的STM32F103系列32位處理器作為主控器，主頻最高72M，存儲器空間大，外圍資源豐富[4]，有多達4個能配置成PWM輸出的定時器，而且每個定時器可同時輸出周期的、占空比可調的4路PWM信號輸出，不占用CPU任何時間。理論上PWM信號頻率能達36MHz，完全滿足濾波器所需的時鐘要求。通過串口上位機把超聲換能器頻率等儀表參數(shù)傳輸給處理器，處理器計算出濾波器時鐘信號輸出LTC1264，從而控制濾波器中心頻率。
4、軟件分析
STM32系列處理器軟件開發(fā)不同于51單片機等的開發(fā)，STM32功能強大，不僅接口資源豐富，而且需操作的寄存器數(shù)量多，如果直接操作寄存器工作量大、容易出錯、移植比較困難，所以一般在ST公司提供的庫函數(shù)基礎上進行開發(fā)。
這里主要介紹一下根據(jù)超聲換能器頻率計算時鐘CLK頻率的方法，假設處理器接收到的頻率參數(shù)放在變量SignalFreqValue中，根據(jù)濾波器時鐘與中心頻率比20：1，可得時鐘頻率CLKFreqValue = SignalFreqValue*20;
處理器主頻為72M時，那么定時器的計數(shù)寄存器值CNTValue = 72000/CLKFreqValue，定時器是從0開始計數(shù)的，所以CNTValue還應該加1，考慮到PWM輸出占空比能50%時濾波效果最佳，當CNTValue是偶數(shù)是不加1，是奇數(shù)時加1;這時定時器的比較寄存器值CCR1Value = (CNTValue+1)/2。
5、 實測結果
對實際電路進行測試，本試驗中設置的濾波器中心頻率為100KHz，采用信號發(fā)生器作為濾波器輸入信號，通過示波器觀察濾波器的信號變化，其增益與輸入信號頻率關系如圖1所示。從圖中可看出，濾波器對低頻段噪聲信號的衰減比高頻段快。由于在實際燃氣計量應用現(xiàn)場中，出現(xiàn)低頻段噪聲的概率遠大于出現(xiàn)高頻段噪聲的概率，所以該濾波電路適用于氣體超聲流量計的信號處理單元。
圖1 濾波器增益與信號頻率關系
6、 結論
通過對電路的測試，濾波器功能符合設計要求，能有效的濾除低頻或高頻信號的干擾，保證燃氣計量的準確性、可靠性。在PCB布局布線時要注意，LTC1264電源引腳旁盡可能靠近的放置濾波電容，在CLK引腳串聯(lián)一個幾十歐姆的電阻，防止時鐘信號過沖影響信號，時鐘信號與濾波器采用單點接地技術。
參考文獻
[1] 康華光主編 電子技術基礎模擬部分(第四版) 高等教育出版社 。
[2] 單財良，魯千紅，羅玉文，祁煒�；贚TC1064的多功能程控濾波器，《空軍雷達學院學報》2010年第01期
[3] 趙保祥，劉東升�；贚TC1068-200的低頻帶通濾波器設計，《電子設計工程》2011年第21期
[4] 劉火良，楊森。 STM32庫開發(fā)實戰(zhàn)指南。機械工業(yè)出版社。
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