1 引 言

　　超聲就是指頻率高出可聽頻率極限(即在20 kHz以上的頻段)的彈性振動，這種振動以波動形式在介質中的傳播過程就形成超聲波。超聲波技術應用于流量測量的原理是：由超聲換能器產生的超聲波以某一角度入射到流體中，在流體中傳播的超聲波就載有流體流速的信息，利用接收到的超聲波信號就可以測量流體的流速和流量。上世紀70年代以后，由于集成電路技術的迅猛發展，高性能、高穩定性的鎖相技術的出現與應用，才使實用的超聲波流量計得以迅速發展。超聲波流量計結構簡單，壓力損失小，而且使用方便，因而得到了廣泛的應用。

　　根據超聲波聲道結構類型可分為單聲道和多聲道超聲波流量計;根據超聲波流量計適用的流道不同可分為管道流量計、管渠流量計和河流流量計;根據對信號的檢測原理，超聲波流量計非接觸測量方法分為：傳播時差法、多普勒法、波束偏移法及流動超聲法等不同類型，其中傳播時差法又分為直接時差法、相位差法和頻差法。 雙頻超聲波多普勒流量計能夠產生兩組異頻、相互獨立的超聲波信號，兩種頻率用于識別和排除一系列的錯誤信號，他能有效去除噪聲信號，并將準確識別出的多普勒信號進行平方放大。

　　本文給出了一種雙頻超聲波流量計的硬件電路設計方法。

　　2 總體的系統設計

　　整個系統的硬件結構可以分為兩太模塊：超聲波發射、接收探頭及濾波放大電路的設計和數字系統的設計，如圖1所示。發射探頭發射兩個己知的固定頻率的獨立超聲波信號，接收探頭負責接收含有流體的流速信息的超聲波。接收到的超聲波分別被前置放大電路、帶通濾波器放大器、混頻器及低通濾波器處理獲得含有流體流速信息的低頻模擬多普勒信號，再送到數字系統部分的DSP(TMS320F2812)的模/數(A/D)轉換器進行模數轉換。TMS320F2812內部定時中斷子程序進行數據采樣，采集的數據送人環形數據緩沖區內，然后TMS320F2812對采樣數據進行加窗處理、FFT變換求其功率譜、功率譜的延伸、疊加等處理得到多普勒頻偏值，求得流速。單片機C8051F236通過SPI從DSP中讀出流速的數據，再根據輸入的儀表參數進行流量、累計流量等所需要的數據量的計算，并通過液晶顯示器顯示。除了測量以外，還可以通過鍵盤選擇執行安裝、測試、設置儀表和現場參數等多種操作。

　　系統總電路圖如圖2所示。系統總共有6個模塊，分別是電源模塊、發射模塊(超聲波產生和功率放大)、接收模塊、DSP模塊、擴展單元模塊和單片機模塊。

　　3 超聲波的產生與功率放大

　　多普勒超聲波測量中傳感器的激勵方式有單載頻脈沖激勵、連續正弦波激勵和偽隨機碼信號激勵等，由于連續正弦信號的采集較為容易，也適于作頻譜分析，因此選用這種方式。

　　超聲信號的頻移反映了流速的信息，測準頻移是保證測量精度的關鍵，愈少在頻譜中引入干擾分量愈好，因此我們需要源信號有較高的純度。一般的正弦振蕩電路會有很多諧波分量，而且頻率漂移較大，一旦調節好了頻率又不易修改，使系統適應不同頻率傳感器的靈活性減低，但是DDS芯片可以解決這些問題。

　　DDS技術是一種把一系列數字量形式的信號通過DAC轉換成模擬量形式信號的合成技術。目前使用最廣泛的一種DDS方式是利用高速存儲器作查尋表，然后通過高速DAC產生已經用數字形式存人的正弦波。

　　本系統選用的DDS芯片是AD公司生產的COMS型DDS芯片AD9850，該芯片最高可支持125 MHz的時鐘頻率，32位頻率調節字可用并行或串行方式裝入。+3.3 V或+5 V供電，極低功耗，28腳SSOP封裝。AD9850有兩種裝載頻率調節字的方式，無優劣之分。AD9850有32位調節字，分為W0，W1，W2，W3，W4五個字節，每次只能寫入一個字節，當W-CLK腳變高時，寫入有效。FQ-UD有效時，AD9850讀取新的調節字，產生新的頻率輸出。RESET有效時，清除調節字寄存器。

　　74HC574是8D鎖存器，可將寫入的數據保存在輸出端直到下次時鐘到來。AD9850的W-CLK，FQ-UD和RESET均通過74HC574連在DSP的GPIOA上，他們的時序是通過寫入數據產生的。AD9850的工作時序如圖3所示。

　　流體中有較高的顆粒含量，超聲波的衰減較大，發射信號要有一定功率，因此功率放大不可少。由于超聲波的頻率較高(640 k和1.0 M)，進行功率放大時一般的功率放大集成電路帶寬不夠，因此只好用功率晶體管搭放大電路。具體電路如圖4所示。該圖為推挽式放大電路，Q1為NPN管(3DDSA)，Q2為PNP管(3CDSA)。DDS-IN接DDS的輸出，變壓器的輸出接發送傳感器。