超声波流量计高分辨率A/D转换电路设计与实现

    0 引言

    根据美国FlowResearch机构2005年调查报告[1]，超声流量计的年销售额超过30亿美元，占所有类型流量计销售总额的10%。超声波流量计具有精确度高、测量无阻碍、方便安装以及低成本等优点，正在快速发展成为流量测量领域的首选。近几年来，随着硬件和数字信号处理技术的改进，流量的测量精度得到不断提高，高精度成为新型超声波流量计研究的重点[2]。

    超声波流量计时差测量法在工业界应用已有30年历史，具有精度高和可靠性好的特点，它是根据超声波信号顺流传播时间和逆流传播时间之差来计算流速，进而求得流量[3]。由于超声波信号的传播速度很快（在液体中为1500m/s左右），传播的时间非常短，对超声波信号的数据采集系统提出很大的要求。为了达到更高的测量精度，关键在于达到ns级以上的时间差测量，在低流速液体测量时要求则更高，所以采用高分辨率A/D转换达到高分辨率的实时数据采集变得至关重要。

    在12位高精度，数MHz以上采样率的ADC中，流水线结构是目前在各关键指标较好的[4-6]，因此采用12位流水线结构A/D转换的ADC12DL040来实现高精度超声波流量计ns级时间差的信号采集，其分辨电压的最小值为1/4096，并给出了ADC12DL040的引脚电路和流水线结构图原理，采样过程流程图以及A/D转换C程序关键代码，设计并实现了400kHz输入信号的8MHz的高速高分辨率采样。

    1 时差法超声波流量计原理与关键问题

    1.1 时差法超声波流量计测量原理

    时差法超声波流量计是利用超声波在流体介质中传播时顺流和逆流方向传播的时间差来实现对流体的流速和流量信息的测量。图1是时差法超声波流量计的测量原理图。

图1 时差法超声波流量计测量原理图

    如图1所示，设液体介质运输管道的直径为D，介质流速为υ，换能器A，B与运输管道中轴的夹角为θ，超声波在介质中传播的速率为c，设超声波在液体中顺流所需的时间为t1=逆流时所需的时间为顺流与逆流的时间差，因为c>>v，超声波传播时间差近似等于。

    于是得到流速与时间差的关系式：

    因而得到超声波流量计时差测量法的理论基础。其中，不同温度条件下超声波在液体中的传播速度c略有变化[7]。

    1.2 时差法超声波流量计的关键问题

    时差法超声波流量计顺流逆流时间差是否精确测量直接影响超声波流量计的计量精度，因此对高精度的超声波流量计，选用适合的数据采集系统对顺逆流时间差精确是十分必要的[8]。A/D芯片是数据采集系统的核心器件，数据采集系统性能在很大程度上取决于A/D芯片的选取。因此，高精度时差法超声波流量计的最大难点在于如何构建最适合的高分辨率A/D数据采样系统。例如，超声波在洁净水中的传播速度约为1450m/s，在管径D=300mm、流体流速υ=1.33m/s的条件下，顺逆流时间差约为1μs，要保证测量达到0.5%的测量精度，要求测量的时间差的分辨率要达到1～2μs才能实现，顺、逆流传播时间的测量分辨率也应该在ns，乃至ps级。

    ADC的高分辨率从以下方面考虑：

    （1）选择A/D采样系统的分辨率参数[9]。分辨率是A/D转换器能够识别的最小模拟输入量，用二进制位数表示处理数字码位数的能力。选择12位A/D转换器，其分辨率为2¹²，用百分数表示：1/2¹²×100%=1/4096×100%=0.0244%。由于采用流水线技术，高速A/D采样转换速率比转换时间快得多，在前一次转换完成之前就开始新的转换。因此，选择流水线结构ADC。

    （2）选择影响高分辨率的频率大小。假设超声波信号频率为fs，采样频率为f_A/D，信号频率fs直接决定分辨率最小时间。选择的超声波信号频率fs为400kHz。如果输入信号频率小于400kHz，ADC电路损耗较大。如果输入信号远大于400kHz，如1MHz时ADC的二级余差信号失真度较高，故最好工作在400kHz输入信号。分辨率最小时间为=0.305ns。采样频率f_A/D关系到ARM是否能实现高速采样数据存储。选择8MHz采样频率，ARM的频率为80MHz，通过FIFO数据缓存能够实时完成高速数据读写操作。

    2 A/D转换电路设计

    2.1 ADC12DL040

    对于高精度超声波流量计ns级的时间测量需要高速高分辨率数据采集电路，将模拟信号转换为数字信号，送入CPU中，最终达到测量纳秒级时间差的目的。因此，对ADC分辨率和采样速度综合要求较高，再综合考虑功耗，体积，兼容性等其他因素，最终决定选用ADC12DL040作为系统模数转换芯片。

    ADC12DL040[10]是一种高性能、单电源+3V、最高采样频率为40MSPS的双路12位低功耗单片ADC，采用有数字误差修正差分流水线架构，片内有采样保持电路和基准电压源，满功率带宽位250MHz，有11.1有效位（ENOB）。这款芯片的整个差分信号输入范围是2Vpp，共模输入电压是1.5V，而输入电容是8pF．此外，ADC12DL040模/数转换器的交流电特性也很好，不但信噪比极高（69dB），而且以10MHz的输入信号来说，无杂散信号动态范围（SFDR）可达83dB，确保模/数转换器所产生的假信号远比要接收的信号小。工作时功耗210mW，低功耗特性把功耗降低到3.6mW，输出电压2.4～3.6V，有复接输出模式，占空比稳定器，工作温度-40～85℃，64引脚TQFP封装，可用在超声波和成像、仪器仪表、通信接收器、声纳/雷达、xDSL和线缆调制解调器以及DSP前端。其主要参数与特性见表1。

表1 ADC12DL040主要参数与特性

    2.2 ADC12DL040外部电路

    图2为ADC12DL040的外部引脚电路图，对于高速A/D转换放大电路和A/D转换电路应尽可能的靠近放置，放大电路和A/D转换电路都要求与滤波器件临近放置，则在放大电路输出迹线上具有最低的寄生负载效应，而模数转换电路则对可能耦合至输入线路的噪声极为敏感。A/D转换电路的数字输出应与模拟输入良好的隔离开。放大电路和A/D转换电路相邻引脚间距应在2mm以内。

图2 ADC12DL040的外部引脚电路图

    3 超声波流量计工作原理

    3.1 硬件结构图

    高精度超声波流量计时间差数据采集系统硬件包括换能器、放大电路、滤波电路、A/D转换器和CPU等。其中超声波流量计时间差的精密测量主要由A/D采样电路模块完成，A/D采样的分辨率直接决定时间的测量精度，对超声波流量计的精度起决定性作用。A/D、CPU为系统硬件的核心，实现对数据的采集、分析和处理。A/D转换器采用ADC12DL040，CPU采用ARM7微处理器LPC2138，主要进行信号的处理与通讯等。其采样系统框图如图3所示。

图3 硬件结构图

    超声波信号经过换能器转换超声波机械振动信号为电信号，经过放大电路、滤波电路后，由双通道12位A/D转换器ADC12DL040进行数据转换，将模拟信号转换成12位的数字信号，然后将实施采样的数据存储到CPU中。

    3.2 系统流程框图及关键代码

    超声波流量计数据采集的A/D转换流程设计时要特别注意：A/D转换器启动后首先清空转换结果寄存器，以免上一次的采样数据对当前采样造成不必要的误差影响。超声波流量计A/D采样的软件流程图如图4所示。

图4 软件流程图

    软件在Keil中进行编码，以下列出A/D转换中C程序部分关键代码。

    4 结束语

    设计并实现超声波流量计的高分辨率A/D转换电路成为高精度流量计技术的重点难点。文中在时差理论研究基础上，采用A/D转换器ADC12DL040设计并实现了高精度超声波流量计ns级时间差的信号采集，分辨电压的最小值为1/4096，分辨最小时间为0.305ns，理论分析了ADC12DL040的电路原理，给出ADC12DL040外围电路设计、A/D采样过程流程图及A/D转换C程序关键代码，实现了采用时差测量法的超声波流量计400kHz输入信号，8MHz采样频率的高分辨率实时采样。对于更高频的超声波信号如1MHz，仅采用CPU不足以满足高频信号的实时采集，可以在数据采集电路中选用FPGA进行高频实时采样。

    参考文献：

    [1]YODER．TheMarketforUltrasonicFlowmeterWorldwide．Massachu-settsUSA，2005．
    [2]孙延祚．论流量计的合理选型．第十八届多国仪器仪表学术会议暨展览会学术论义集（应用篇），2007．
    [3]梁国伟，蔡武昌．流量测量技术及仪表．北京：机械工业出版社，2002．
    [4]CHUANGSY，TERRYLS．Adigitallyself-calibrating14-bitl0MHzCMOSpipelinedA/Dconverter．IEEEJournalofSolid-stateCircuits，2002，37（6）：674-683．
    [5]GRACECR，HURSTPJ，LEWISSH．A12-b80-MS/spipelinedADCwithbootstrappeddigitalcalibration．IEEEJournalofSolid-stateCircuits，2005，40（5）：1038-1046．
    [6]WANGX，HURSTPJ，LEWISSH．A12-bit20-MS/spipelinedADCwithnesteddigitalbackgroundcalibration．ProceedingsofIEEECus-tomIntegratedCircuitsConference，Sep21-24，2003．SanJose，CA，USA．Piscataway．NJ，USA：IEEE，2003：409-412．
    [7]段允，王让定，孙广清．一种提升时差法超声波流量计精度的方法．微电子学与计算机，2009，（08）：45-48．
    [8]李广峰，刘昉，高勇．超声波流量计的高精度测量技术．仪器仪表学报，2001（06）：644-647．
    [9]纪宗南．集成A/D转换器应用技术和实用线路．北京：中国电力出版社，2008．
    [10]NS公司．ADC12DL040DataSheet，NS．http：//www．national．com/pf/DC/ADC12DL040．html#Documents