增益自适应信号放大电路结构、超声波计量模组的制作方法

1.本实用新型涉及放大电路技术领域，特别是涉及增益自适应信号放大电路结构、超声波计量模组。


背景技术：

2.随着超声波技术的发展，超声波计量在燃气表中的应用日渐成熟。超声波计量模组作为核心部件，承担信号检测和流量计算的功能，直接影响燃气表计量的准确性和可靠性。
3.实际计量场景中，由于气质、流量、温度、压力等测量条件变化，超声波信号的大小会随这些因素影响而发生改变。为了适应多场景下的计量应用，超声波信号调理模块中的信号放大模块的增益一般设计为可调。
4.目前常见的方案一般通过峰值采样、可调增益运放、dac，配合程序控制，实现增益可调，如图5。其中峰值采样用于获取超声波回波信号的峰值电压，mcu通过比较返回的电压值，来调节运放的增益大小，使得回波信号的峰值始终处于合理的范围内，从而实现对多场景应用的适应性。
5.上述方案至少有以下缺陷：
6.1、方案使用了dac、可调增益放大器等大功耗芯片，使得整体的低功耗设计变的困难。
7.2、超声波信号为微小信号，对噪声和温漂等性能要求较高，因此器件选型存在困难。
8.3、高性能dac、可调增益放大器价格高，方案的实现成本高。
9.4、部分可调增益放大器档位固定，无法实现信号的微调。
10.5、需要程序控制，严格配合超声信号收发时序，程序复杂度高。


技术实现要素：

11.本技术提供了一种增益自适应信号放大电路结构、超声波计量模组，该电路结构不使用主动器件，无需程序控制，从而降低了电路结构的复杂度。
12.第一方面提供了一种增益自适应信号放大电路结构，包括：
13.放大电路和峰值采样电路，所述放大电路的输出端与所述峰值采样电路的输入端相连，所述峰值采样电路的输出端与所述放大电路的反馈输入端相连；
14.其中，所述放大电路，用于对待放大信号进行放大后输出；所述峰值采样电路，用于采样所述放大电路输出的信号的峰值电压，并输出所述峰值电压至所述放大电路，以根据所述峰值电压调整所述放大电路的放大增益。
15.在一些实施例中，所述放大电路包括依次相连的第一放大电路和第二放大电路；所述第二放大电路包括增益调整模块和信号放大模块，所述增益调整模块的输出端与所述信号放大模块的输入端相连，所述增益调整模块的输入端与所述峰值采样电路的输出端相
连；其中所述峰值采样电路输出所述峰值电压至所述增益调整模块，以根据所述峰值电压调整所述增益调整模块的增益电阻。
16.在一些实施例中，所述增益调整模块包括分压单元和可调电阻单元，所述分压单元的输出端与所述可调电阻单元的输入端相连，所述分压单元的输入端与所述峰值采样电路的输出端相连；其中所述分压单元用于对所述峰值电压进行衰减后输出至所述可调电阻单元，以调整所述可调电阻单元的增益电阻。
17.在一些实施例中，所述分压单元包括串联的第二电阻r2和第三电阻r3，所述第二电阻r2的另一端接地，所述第三电阻r3的另一端与所述峰值采样电路的输出端相连；
18.所述可调电阻单元包括三极管q1、第二电容c2和第七电阻r7；所述三极管q1的栅极连接于第二电阻r2和第三电阻r3之间，源极与所述第二电容c2的一端相连，漏极与所述第七电阻r7的一端相连；所述第二电容c2的另一端接地，所述第七电阻r7的另一端与所述信号放大模块相连；
19.所述信号放大模块包括第三放大器u3、第五电容c5、第五电阻 r5，所述第三放大器u3的输出端为所述放大电路的输出端；所述第五电容c5的一端与所述第三放大器u3的正向输入端相连，另一端与所述第一放大电路的输出端相连；所述第五电阻r5的一端与所述第三放大器u3的负向输入端相连，另一端与所述第三放大器u3的输出端相连；所述第五电阻r5的一端与所述第七电阻r7的另一端相连。
20.在一些实施例中，所述信号放大模块还包括第三电容c3，所述第三电容c3与所述第五电阻r5并联。
21.在一些实施例中，所述第一放大电路包括：第四放大器u4、第六电容c6、第六电阻r6、第八电阻r8和第七电容c7；
22.其中，所述第四放大器u4的正向输入端为所述放大电路的输入端，且与所述第六电容c6相连，所述第四放大器u4的输出端与所述第二放大电路的输入端相连；所述第六电阻r6的一端与所述第四放大器u4的负向输入端相连，另一端与所述第四放大器u4的输出端相连；所述第八电阻的一端与所述第六电阻r6的一端相连，另一端与所述第七电容c7的一端相连；所述第七电容c7的另一端接地。
23.在一些实施例中，所述第一放大电路还包括第四电容c4，所述第四电容c4与所述第六电阻r6并联。
24.在一些实施例中，所述峰值采样电路包括：第一放大器u1、第二放大器u2、第一二极管d1、第二二极管d2、第一电容c1和第四电阻r4；
25.其中，所述第一放大器u1的正向输入端为所述峰值采样电路的输入端，所述第二放大器u2的输出端为所述峰值采样电路的输出端；所述第一放大器u1的输出端与所述第一二极管d1的阳极相连，所述第一二极管d1的阴极与所述第二放大器u2的正向输入端相连；所述第一放大器u1的负向输入端与所述第二二极管d2的阳极相连，所述第二二极管d2的阴极与所述第一二极管d1的阳极相连；所述第一放大器u1的负向输入端与所述第四电阻r4的一端相连，所述第四电阻r4的另一端与所述第二放大器u2的负向输入端相连；所述第二放大器u2的负向输入端与所述第二放大器u2的输出端相连；所述第一电容c1的一端连接所述第一二极管d1的阴极，另一端接地。
26.在一些实施例中，所述峰值采样电路还包括：第一电阻r1，所述第一电阻r1连接在
所述第一放大器u1的正向输入端。
27.第二方面提供了一种超声波计量模组，包括增益自适应信号放大电路结构，所述增益自适应信号放大电路结构为上述的增益自适应信号放大电路结构。
28.上述增益自适应信号放大电路结构、超声波计量模组，该增益自适应信号放大电路结构，放大电路的增益可调，且根据峰值采样电路采样的放大电路输出的信号的峰值电压调整放大电路的增益，电路结构没有主动器件，通过硬件电路实现增益的自适应调整，无需程序控制，大大降低了系统的复杂度。同时整个电路除运放外皆为无源器件，因此电路低功耗、设计简单，实现成本低，可靠性也更高。
附图说明
29.图1为本技术增益自适应信号放大电路结构的框图；
30.图2为本技术增益自适应信号放大电路结构的第一放大电路示意图；
31.图3为本技术增益自适应信号放大电路结构的第二放大电路和增益调整电路示意图；
32.图4为本技术增益自适应信号放大电路结构的峰值采样电路示意图；
33.图5为目前实现增益可调的电路框图。
具体实施方式
34.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
35.可以理解，本技术所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。
36.如图1至4所示，本实施例一种增益自适应信号放大电路结构，包括：放大电路和峰值采样电路，放大电路的输出端与峰值采样电路的输入端相连，峰值采样电路的输出端与放大电路的反馈输入端相连；
37.其中，放大电路，用于对待放大信号进行放大后输出；峰值采样电路，用于采样放大电路输出的信号的峰值电压，并输出峰值电压至放大电路，以根据峰值电压调整放大电路的放大增益。
38.本实施例增益自适应信号放大电路结构的工作原理：放大电路对待放大信号(如超声波信号)进行放大后输出，峰值采样电路放大后的信号进行采样，得到放大后的信号的峰值电压，将该峰值电压输入至放大电路以调整放大电路的增益电阻，从而调整放大电路的放大增益。
39.本实施例中的电路结构，没有使用主动器件，通过硬件电路实现增益的自适应调整，无需程序控制，大大降低了系统的复杂度。同时整个电路除运放外皆为无源器件，因此电路低功耗、设计简单，实现成本低，可靠性也更高。
40.在一些实施例中，上述电路结构中，放大电路包括依次相连的第一放大电路和第二放大电路；第二放大电路包括增益调整模块和信号放大模块，增益调整模块的输出端与信号放大模块的输入端相连，增益调整模块的输入端与峰值采样电路的输出端相连；其中
峰值采样电路输出峰值电压至增益调整模块，以根据峰值电压调整增益调整模块的增益电阻。
41.本实施例中，第一放大电路对待放大信号进行一次放大，放大后输入至增益可调的第二放大电路进行放大，峰值采样电路对二次放大后输出的信号的峰值信号进行采样，根据该峰值电压调整第二放大电路的增益电阻，进而调整第二放大电路的放大增益。
42.进一步地，本实例中的两级放大电路包括但不限于反向比例放大电路、双极性电源放大电路等。放大电路采用双极性电源供电，不再需要额外的偏置电压，运放的工作状态更稳定，有益于电路性能的提升。
43.在一些实施例中，增益调整模块包括分压单元和可调电阻单元，分压单元的输出端与可调电阻单元的输入端相连，分压单元的输入端与峰值采样电路的输出端相连；其中分压单元用于对峰值电压进行衰减后输出至可调电阻单元，以调整可调电阻单元的增益电阻。
44.本实施例中，分压单元对峰值电压进行衰减之后输出至可调电阻单元，该衰减之后的电压能够使可调电阻单元的电阻改变，可调电阻单元的电阻的改变从而使得第二放大电路的放大增益的改变，从而实现对输入放大电路的信号的自适应调整。
45.在一种具体电路结构中，如图2所示，第一放大电路的一种具体电路结构，第一放大电路包括：第四放大器u4、第六电容c6、第六电阻r6、第八电阻r8和第七电容c7；
46.其中，第四放大器u4的正向输入端为放大电路的输入端，用于待放大信号的输入，并对待放大信号进行初级放大，该输入端 (signal_input)与第六电容c6相连，第四放大器u4的输出端与第二放大电路的输入端相连；第六电阻r6的一端与第四放大器u4的负向输入端相连，另一端与第四放大器u4的输出端相连；第八电阻的一端与第六电阻r6的一端相连，另一端与第七电容c7的一端相连；第七电容c7的另一端接地。
47.进一步地，第一放大电路还包括第四电容c4，第四电容c4与第六电阻r6并联。第四电容c4用于增加电路稳定性。
48.在图2中，待放大的信号经第六电容c6输入放大电路，第六电容c6为输入隔直电容，第六电容c6的和第四放大器u4的正向输入端之间设有参考电压监测点vref，vref为直流偏置电压，第六电阻 r6、第四电容c4为反馈电阻和反馈电容，第八电阻r8为增益电阻，第七电容c7为反馈隔直电容，和第四放大器u4构成同向放大电路，第六电阻r6和第八电阻r8的比值决定了第一放大电路的放大增益。第一放大电路中的第四放大器u4的输出端输出的信号为v1，输出至第二放大电路，第一放大电路的输入输出信号关系为：
49.在一种具体电路结构中，如图3所示，第二放大电路的一种具体电路结构，分压单元包括串联的第二电阻r2和第三电阻r3，第二电阻r2的另一端接地，第三电阻r3的另一端与峰值采样电路的输出端相连；
50.可调电阻单元包括三极管q1、第二电容c2和第七电阻r7；三极管q1的栅极连接于第二电阻r2和第三电阻r3之间，源极与第二电容c2的一端相连，漏极与第七电阻r7的一端相连；第二电容c2 的另一端接地，第七电阻r7的另一端与信号放大模块相连；
51.信号放大模块包括第三放大器u3、第五电容c5、第五电阻r5，第三放大器u3的输出
端为放大电路的输出端；第五电容c5的一端与第三放大器u3的正向输入端相连，另一端与第一放大电路的输出端相连；第五电阻r5的一端与第三放大器u3的负向输入端相连，另一端与第三放大器u3的输出端相连；第五电阻r5的一端与第七电阻r7的另一端相连。
52.在图3中，峰值采样电路输出的峰值电压v3先输入分压单元，即第二电阻r2、第三电阻r3组成的分压链，该分压链对v3进行衰减；第二电容c2为反馈隔直电容，隔断直流增益链路；可调电阻单元中的第七电阻r7为预设增益电阻，作为电路启动时的默认增益值；三极管q1为mos管，工作在线性区，作为可调电阻，分压单元输出的电压(衰减后的电压)可以改变三极管q1的电阻，以上构成分压单元和可调电阻单元组成增益调整电路。第五电容c5为隔直电容，第五电阻r5为反馈电阻，第三电容c3为反馈电容，和第三放大器 u3、增益调整电路一起构成信号放大模块。第一放大电路输出的信号v1经由第五电容输入第二放大电路(即第三放大器u3的正向输入端)进行二次放大后输出，第三放大器u3的输出端为放大电路的输出端(signal_out)。第五电容c5的和第三放大器u3的正向输入端之间设有参考电压监测点vref。
53.增益调整模块和信号放大模块组成了第二放大电路，第五电阻 r5与第七电阻r7和三极管q1的电阻比值决定了第二信号放大电路的放大增益，三极管q1的电阻根据放大电路的输出信号的峰值电压而改变，从而第二放大电路的放大增益根据峰值电压而改变。待放大信号信号经放大电路放大后，峰值采样电路对放大后的信号进行检测，得到的信号峰值电压经过预先设定好的分压链进行衰减，衰减之后的电压用于增益调整电路。增益调整电路中的mos管工作与线性区，通过栅极输入电压的大小呈现固定比例的电阻值，达到第二放大电路的增益变化，从而实现对超声波信号放大的自适应调整。第二放大电路的整体的输入输出关系为：输入输出关系为：
54.进一步地，信号放大模块还包括第三电容c3，第三电容c3与第五电阻r5并联。第三电容c3用于增加电路稳定性。
55.在一种具体电路结构中，如图4所示，峰值采样电路的一种具体电路结构，峰值采样电路包括：第一放大器u1、第二放大器u2、第一二极管d1、第二二极管d2、第一电容c1和第四电阻r4；
56.其中，第一放大器u1的正向输入端为峰值采样电路的输入端，第二放大器u2的输出端为峰值采样电路的输出端；第一放大器u1 的输出端与第一二极管d1的阳极相连，第一二极管d1的阴极与第二放大器u2的正向输入端相连；第一放大器u1的负向输入端与第二二极管d2的阳极相连，第二二极管d2的阴极与第一二极管d1 的阳极相连；第一放大器u1的负向输入端与第四电阻r4的一端相连，第四电阻r4的另一端与第二放大器u2的负向输入端相连；第二放大器u2的负向输入端与第二放大器u2的输出端相连；第一电容c1的一端连接第一二极管d1的阴极，另一端接地。
57.在图4中，第一放大器u1、第二放大器u2为电压跟随器，分别作为输入(v2)缓冲和输出(v3)缓冲；第二二极管d2、第四电阻r4为反馈二极管和电阻，用以补偿第一二极管d1上的压降；第一二极管d1为防反二极管，限制电流方向；第一电容c1为储能电容，第一电容c1记录峰值采样电路采样的峰值电压，即始终保持第一电容c1的电压为峰值电压。第四电阻
r4用于对第二二极管d2 上的压降进行补偿。峰值采样电路的输入输出信号关系为：v3＝vp
v2
。
58.进一步地，峰值采样电路还包括：第一电阻r1，第一电阻r1 连接在第一放大器u1的正向输入端。第一电阻r1第一电阻r1为输入电阻，用以限制输入电流，进行阻抗匹配。
59.在一些实施例中，第一放大电路和第二放大电路均通过双极性电源进行供电。不再需要额外的偏置电压，运放的工作状态更稳定，有益于电路性能的提升。
60.进一步地，峰值采样电路形成于具有峰值采样功能的集成芯片上。即峰值采样电路采用集成芯片形式，电压采样精度更高，电路集成度更高。
61.采用其他复杂的模拟电子负载电路，可以有效提升可调增益的精度和范围。
62.本实施例提供了一种超声波计量模组，包括增益自适应信号放大电路结构，增益自适应信号放大电路结构为上述实施例记载的增益自适应信号放大电路结构。
63.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，该计算机程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，前述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)等非易失性存储介质，或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
64.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
65.以上实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。