基于DSP的双频超声波流量计硬件电路设计

　TLE2072是低噪声高速JFET输入运算放大器，他的单位增益带宽可达10 MHz，能满足信号放大带宽的要求，电路中起到前置放大及阻抗变换的作用。MC1350为可控增益选频放大器，中频变压器T1(T2)谐振频率为640 kHz(1 MHz)，对信号起带通滤波的作用，输出信号经TLE2072半波放大后，由RC滤波形成MC1350增益控制电压，从而使输人信号强度在较大范围内变化时得到一稳定的输出信号，此电路可使输入信号的波动范围达60 dB时输出保持稳定，保证系统的稳定工作。

　　接收信号放大电路输出的信号相对于发射信号产生了频移，此频移在0～3 kHz范围，反映流体的流速大小，由于此频移相对于发射信号频率较小，直接进行频率测量精度难以保证，所以采取混频措施得到差频信号。含有差频信息的高频信号通过CD4053模拟开关与发射信号的本振方波(CP1或CP2)进行乘积运算，经TLE2072阻抗变换后利用阻容滤波器进行低通滤波得到差频信号。

　　CD4053是带有逻辑电平转换的CMOS模拟复用器／解复用器。他是三个两通道的复用器，分别由数字控制输入(A，B，C)和一个固定输入使能，每个输入信号选择两通道中的一个。他也可以用做解复用器，"CHANNEL IN／OUT"终端是输出，"COMMON OUT／IN"终端是输入。

　　5 DSP系统

　　TMS320F2812数字信号处理器是TI公司最新推出的32位定点DSP控制器，是目前控制领域最先进的处理器之一。其频率高达150 MHz，大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力。因此本系统以TMS320F2812为核心，对采样数据进行加窗处理、FFT变化求其功率谱、功率谱的延伸、叠加等处理得到多普勒频偏值，求得流速。并将流速信息通过SPI传送给单片机。

　　F2812 采用3.3 V和1.8 V双电源供电，数字模拟地分离设计。DSP和外围3.3 V分开供电，LED1，LED2和LED3可用来显示电源供电情况。电源和地分模拟和数字，用电感隔离。由CPLD提供各种控制信号，如读、写、复位等。 F2812通过SPISIMO，SPISOMI，SPICLK和SPISTE端口和单片机连接，来实现流速信息的传送。

　　6电路板的设计

　　6.1 布局

　　对于主要模拟部分，在布局时得要遵守输出模拟信号线最短输出，输入模拟信号线最短输入，模拟器件的模拟地以最短距离到地的原则。

　　在布线时，先布信号流的线，而后布其他信号线和电源，最后连接地线。

　　由于数字电路对信号抗干扰要求不高，作者在布局布线的时候主要考虑以下几点：

　　(1)信号线最短输入、最短输出，两层的信号线采取交叉走线；
　　(2)电源线到芯片要尽量短，并要加粗；
　　(3)高频信号要尽量单独走线。
　　(4)为了美观，把贴片封装的芯片尽量靠在一起，插针的尽量在一起。

　　6.2 电源

　　当系统中有数字电源和模拟电源时，两种电源必须要分开，一般有两种方法：第一是采用被动滤波电路，即在两种电源之间自接加上电感或者磁珠，这种方法比较简单；第二是从数字电源中利用电源模块产生模拟电源，这样也就是绝对的分离了。本系统采取第一种方法。

　　6.3 地

　　系统中有数字地和模拟地，一般有两种考虑方法：
　　(1)采用一点相连；
　　(2)采用电感或者磁珠相隔离。

　　在本系统中采用的是后者，分隔是通过一个200 mH的电感实现的。

　　7 结语

　　由于频谱分析技术和双频法能大大提高超声波多普勒流量计的精度，本文综合两种方法设计了超声波多普勒流量计的硬件电路。以DSP TMS320F2812为核心对两路频差信号分别进行采样、加窗处理、FFT变换求功率谱和功率谱的延伸、叠加等处理得到多普勒频偏值，求得流速。