气体超声波流量计可控滤波电路设计
气体超声波流量计可控滤波电路设计
陈雄生
(上海中核维思仪器仪表有限公司 上海 201614)
摘要：本文介绍了气体超声波流量计中采用的一种中心频率可变的带通滤波电路设计方法，通过软件控制改变中心频率以适应不同频率的换能器，提高流量计抗干扰能力同时方便调试、生产。
关键字：气体超声波流量计 超声换能器 可编程滤波器
频率
近年来，随着天然气能源的快速发展，对燃气计量仪表的需求越来越多，气体超声波流量计以其自身的优势在我国天然气计量领域得到了广泛认可，国产气体超声流量计性能不断提升，正逐步替代国外品牌及传统流量计。
气体超声波流量计计量系统主要由表体（超声换能器、测量管段）、信号处理单元、及其配套的温度和压力变送器等部分组成。其中负责超声波信号发射和接收的超声换能器以及超声波信号处理单元正是决定流量计性能指标的关键部件，本文重点介绍一种超声波信号处理单元采用的以开关电容滤波器LTC1264为主，通过处理器以PWM方式控制滤波器中心频率的电路设计方法。
1、信号处理单元组成
信号处理单元包括超声换能器驱动、信号放大、滤波、检波、增益控制、信号识别、计时、处理器等电路。现场测量环境中不可避免地存在噪声干扰。为提高气体超声波流量计的抗干扰能力、增强超声波信号识别的可靠性，对超声波信号进行滤波处理是非常必要的。滤波电路的种类很多，其主要目的都是实现超声波信号通过滤波电路能有效的衰减低频或高频干扰信号，提取有用的信号，增强实际检测的信噪比。
2、滤波器参数分析
设计滤波器时主要考虑的参数有品质因数Q值、中心频率、增益值，Q值和中心频率决定滤波器带宽[1]。目前大多数超声波流量计使用超声换能器的频率一般在60～200KHz之间，根据LTC1264原理及时钟与中心频率之间的关系，通过改变输给LTC1264的时钟而改变滤波器的中心频率，以匹配不同换能器信号[2]。
滤波器品质因数高，会衰减接收信号前部分波形幅值，不利于信号识别，特别是对采用电平比较方法来识别信号的流量计，所以本文介绍的滤波器设计的Q值等于1。这样有利于区别信号与噪声，即使管道内气体流速比较大时，也不易出现丢波或误触发现象，保证声时测量准确。
接收到换能器信号是十分微弱的，一般只有几毫伏，每一路接收换能器有一级倍数固定的前置放大器，前置放大后，有一级增益自动控制电路，实现在不同的气体压力和流速下，信号幅度输出保持一致。有专门的增益调整电路，所以滤波器增益一般设置成H＝1。
3、主要元器件介绍
3.1
开关电容滤波器LTC1264
LTC1264是凌力尔特公司推出的一款高速时钟输入开关电容滤波器，由4个二阶滤波模块组成，模块之间可级联形成八阶滤波器，每个模块通过外围几个电阻能实现低通、高通、带通及带阻等功能，其时钟与中心频率比内部固定20：1或通过外围电阻改变。具有多种工作模式，可设计成巴特沃兹、贝塞尔、切比雪夫等滤波器[3]。当Q值小于2，电源电压工作在正负7V时，最高中心频率达250KHZ。本电路中采用4个二阶滤波器级联的方式组成八阶带通滤波器，以衰减信号中的低频和高频部分。
3.2、核心处理器
本电路采用了ST公司的STM32F103系列32位处理器作为主控器，主频最高72M，存储器空间大，外围资源丰富[4]，有多达4个能配置成PWM输出的定时器，而且每个定时器可同时输出周期的、占空比可调的4路PWM信号输出，不占用CPU任何时间。理论上PWM信号频率能达36MHz，完全满足滤波器所需的时钟要求。通过串口上位机把超声换能器频率等仪表参数传输给处理器，处理器计算出滤波器时钟信号输出LTC1264，从而控制滤波器中心频率。
4、软件分析
STM32系列处理器软件开发不同于51单片机等的开发，STM32功能强大，不仅接口资源丰富，而且需操作的寄存器数量多，如果直接操作寄存器工作量大、容易出错、移植比较困难，所以一般在ST公司提供的库函数基础上进行开发。
这里主要介绍一下根据超声换能器频率计算时钟CLK频率的方法，假设处理器接收到的频率参数放在变量SignalFreqValue中，根据滤波器时钟与中心频率比20：1，可得时钟频率CLKFreqValue
= SignalFreqValue*20；
处理器主频为72M时，那么定时器的计数寄存器值CNTValue =
72000/CLKFreqValue，定时器是从0开始计数的，所以CNTValue还应该加1，考虑到PWM输出占空比能50％时滤波效果最佳，当CNTValue是偶数是不加1，是奇数时加1；这时定时器的比较寄存器值CCR1Value = (CNTValue+1)/2。
5、
实测结果
对实际电路进行测试，本试验中设置的滤波器中心频率为100KHz，采用信号发生器作为滤波器输入信号，通过示波器观察滤波器的信号变化，其增益与输入信号频率关系如图1所示。从图中可看出，滤波器对低频段噪声信号的衰减比高频段快。由于在实际燃气计量应用现场中，出现低频段噪声的概率远大于出现高频段噪声的概率，所以该滤波电路适用于气体超声流量计的信号处理单元。
图1 滤波器增益与信号频率关系
6、
结论
通过对电路的测试，滤波器功能符合设计要求，能有效的滤除低频或高频信号的干扰，保证燃气计量的准确性、可靠性。在PCB布局布线时要注意，LTC1264电源引脚旁尽可能靠近的放置滤波电容，在CLK引脚串联一个几十欧姆的电阻，防止时钟信号过冲影响信号，时钟信号与滤波器采用单点接地技术。
参考文献
[1]
康华光主编 电子技术基础模拟部分(第四版） 高等教育出版社 。
[2]
单财良，鲁千红，罗玉文，祁炜。基于LTC1064的多功能程控滤波器，《空军雷达学院学报》2010年第01期
[3]
赵保祥，刘东升。基于LTC1068-200的低频带通滤波器设计，《电子设计工程》2011年第21期
[4]
刘火良，杨森。 STM32库开发实战指南。机械工业出版社。
作者简介
陈雄生 男 学士学位 电子工程师
主要技术成就：作为团队主要成员，负责四声道气体超声流量计的信号处理单元电子线路设计，并取得良好成绩，该产品获得核工业部科技进步奖及能源协会二等奖。
