論文介紹了電磁流量計的信號調理電路, 它是精度電磁流量計的關鍵部分,詳細闡述了儀用放大器, 低通濾波電路和信號放大電路的設計, 說明了根據要求所設計的電路結構及功能并且突出了低功耗設計。
智能電磁流量計的測量原理是基于法拉第電磁感應定律, 導電流體在交變磁場中做切割磁力線運動產生感應電動勢, 經過推導得到流體體積和感應電動勢的關系式: Q = D 4BE,通過測量感應電動勢達到測流量的目的,感應電動勢是一種低頻, 低電壓信號, 并且參雜有很多信號, 在進行AD 采集前必須經過處理達到采集要求,論文設計了一種在電池供電電磁流量計系統中使用的信號調理電路, 可以實現對微小信號的調理, 同時電路功耗較高低。
2 .信號調理電路設計
2..1 儀用放大電路
由激磁線圈產生的三值矩形波信號的頻率為6..25Hz, 則感應電動勢也為同頻率的交流信號, 即被測信號。從前端傳感器檢測到的信號內阻, 即被測流體的內阻很大( 與流體的電導率直接相關) , 一般為幾兆歐姆。為了減小信號電壓的損失, 使信號電壓盡可能多的進入轉換器測量電路, 要求放大器的輸入電阻要遠遠大于信號內阻。由于被測信號屬于低頻信號, 不能用阻容藕合放大器進行放大, 需要頻帶從一開始的直流放大器。那么直流放大器將面臨兩個問題: ***是前***和后***的靜態工作點互相影響, 二是特點漂移問題。前引起的特點漂移電壓, 再被后放大, 最終將掩蓋正常的信號輸出。而差動放大電路因其具有特殊的電路結構, 能夠有效地抑制特點漂移, 因此測量電路的******采用儀表放大器。儀表放大器是一種***增益、直流耦合放大器, 它具有差分輸入、單端輸出、***輸入阻抗和***共模抑制比等特點。儀表放大器所采用的基礎部件( 運算放大器) , 它們在性能上與標準運算放大器有很大的不同。標準運算放大器是單端器件, 其傳輸函數主要由反饋網絡決定; 而儀表放大器在有共模信號條件下能夠放大很微弱的差分信號, 因而具有很的共模抑制比( CMR) 。前置放大器采用美國MAXIM 公司的微功耗精度增益可調的儀表放大器MAX4194。MAX4194 的特點是適用于電源電壓較高低并且功耗要求很低的場合。MAX4194 低功耗儀表放大器屬于三運放拓撲結構, 三運放拓撲的真正優勢是能夠進行真正的差分測量( 很的CMR ) , 同時又有非常***的輸入阻抗, 這些特點使其得到了廣泛應用, 特別是在信號源阻抗非常***的場合。其拓撲結構如圖1 所示。圖1 .. MAX4194 結構圖由于特性優良, 加之體積小, 并可通過一個外置電阻方便地設定增益, 使其能夠廣泛應用于信號采集放大、醫用儀器及多通道系統等很多領域, 可以在低***.. 1..35V 的電源電壓下工作并且靜態工作電流很小, 是便攜式和其它用電池供電系統的理想器件。它的輸入***是由兩個運放組成的串聯差分前置放大器, 兩個運放可提供固定的差分增益和單位共模增益, 具有很的輸入電阻。由于這兩個運放的參數性能完全相同, 因此兩運放的共模增益、失調及漂移產生的誤差基本抵消了; 輸出***是常規的差分放大器, 將前***的雙端輸出轉變為單端輸出, 抑止了共模信號, 具有115dB 的共模抑制比( G= 10) 。MAX4194 的增益G 可由外部設定; 放大器的共模電壓輸入范圍是VEE + 0..2V 到VCC - 1..1V。理想情況下, 儀表放大器只對作用在IN+ 和IN- 兩個輸入端的差分電壓有響應, 當兩個輸入端電壓相同時, 輸出為VREF。IN + 和IN- 之間的差分電壓將在增益設置電阻上產生相同的電壓和相應電流IG , 該電流流過兩個輸入運放A1 和A2 的反饋電阻產生的電壓差為:
VOUT 2- VOUT 1= IG..( R1+ RG + R1) ) ( 1) 其中VOUT 1和VOUT 2分別是A1 和A2 的輸出電壓, RG 是增益調節電阻。此時的IG 為: IG= ( VIN + - VIN - ) / RG) ( 2) 則儀用放大器的輸出電壓VOUT 表示為: VOUT = ( VIN+ VIN - ) .. ( 2R1/ RG+ 1) ) ( 3) 所以增益的計算公式為: G = 1+ ( 2R1/ RG ) ( 4) 在儀表放大器的具體應用中, 共模輸入電壓、電源電壓、增益、REF 引腳電壓和傳感器阻抗必須綜合考察。利用放大器的REF 引腳可以對輸出失調電壓進行微調; 而對于加在REF 引腳上的微調電壓, 則必須確保有一個較高低的源阻抗, 因為REF 引腳上的附加阻抗將使CMR 變低。電阻的匹配必須非常***才能獲得可接受的共模抑制比, 任一個電阻值存在偏差都將使CMR 降低。外接增益設置電阻硯是儀表放大器的關鍵部件, 要具有較高好的溫度系數和溫度一致性, 它的精度及溫度穩定性直接影響增益, 對于放大器的總體性能有較高大影響。特別是增益較高大時( G ..100) , 連線及插口的電阻也會對增益帶來附加誤差。也就是說, 式中的RG 值應為外接電阻與連線等雜散電阻的總和。考慮到被測信號中強噪聲的存在, 減少噪聲進入后續電路以及使得精密儀用放大器處于線性工作區, 選***放大倍數約為10, 取RG 為5..5K.. 。連接電路如圖2 所示: 圖2 .. 儀用放大器電路在噪聲方面, MAX4194 的內部噪聲很小, 當G ..100 時, 從0..1 到10Hz 的低頻噪聲大約只有0..6 ..VRMS 。MAX4194 經過激光校正, 因此, 失調和溫漂都很小, 多數情況下無需調整, 必要時可對電路進行外部補償。由于參雜在有用流量信號中的共模電壓***避免, 若輸入信號中的共模電壓過大, 則會使輸入放大器飽和, 因此需要考慮所選儀用放大器的輸入共模電壓范圍。在臨界飽和時, MAX4194 的輸出電壓為VOUT = VCM - V0/ 2。MAX4194 的線性輸入范圍大約從負電源以上0..2V 到正電源以下l. 1V。能有效地抑制共模電壓, 即兩測量電極對參考地之間的同相電壓, 是本設計中前置放大器性能的重要體現。對于流量信號比較高微弱的測量, 前置放大器的共模抑制比的要求就******。前置放大器對信號進行差動放大, 理論上可以完全消除掉共模電壓信號的輸出, 但是由于電路參數的非對稱性造成了共模電壓的輸出。因此, 在前置放大器的設計中, 除了選擇對稱性非常好的集成儀表放大器, 還需要注意電路中的電阻、電容的對稱精度和溫度系數。一般電阻使用精密電阻, 其溫度系數均在20 .. 10- 6/ .. 以內。
2..2 低通濾波電路
由傳感器測量電極檢測到的電壓信號, 經過儀用放大電路后變為單端信號,由于測到的電壓信號屬微弱信號, 信號的幅度相對較高大, 為保證前置放大器工作在線性區域, 所以前置放大器的輸出幅度仍然很低, 不能直接進信號采樣, 還需要再經數百倍的放大。同時需要注意的是, ***倍多高的放大必須預防放大器的自激振蕩。此外, 測量電路及器件本身存在噪聲外, 還有電磁、靜電等因素, 流量信號中仍然可能含有多種頻率成分的噪聲。嚴重時這些噪聲可能淹沒真正的流量信號, 使得測量系統無法獲取有用的流量信號。因此, 在采集信號前需要進行濾波處理, 將不需要的噪聲信號抑制掉, 用以增加測量系統的信噪比。設計中流量信號的頻率是6..25Hz, 屬低頻信號, 所以設計使用低通濾波電路。低通濾波器在電路中的作用是讓有用的低頻信號順利通過, 并得以放大。而對于高頻的、雜散無用的信號, 則有很大的衰減作用。可以通過的頻率范圍為通帶, 不能通過的頻率范圍為阻帶。通帶和阻帶的界限頻率稱為截高頻率。其頻率特性用Q 值( 品質因素) 來衡量。Q 值越***, 靈敏度越***, 頻率選擇特性越好, 通帶越窄。濾波電路分有源濾波和無源濾波。由RC 網絡組成的無源濾波電路結構簡單, 但是它的選擇性差, 帶負載能力差; 由集成運放和RC 網絡共同組成的濾波電路, 由于集成運放是有源器件, 屬于有源濾波電路, 具有選擇性好、帶負載能力強的特點。圖3 低通濾波電路綜合以上分析, 論文采用二高低通濾波電路。運算放大器選用美國AD 公司的OP90。它是一種低電壓微功耗器件, 單、雙電源兩種供電模式。測量信號屬于微小信
號, 采用單電原供電, 供電范圍是+ 1..6V ~ + 36V。此外, 它的開環增益很小700V/ mV, 較高高的共模抑制比, 非常適合電池供電系統。電路連接如圖3 所示。電路具有同相輸入結構, 集成運放接成電壓跟隨器的形式, 直流輸入電阻很, 輸出電阻很低, 具有很強的帶負載能力。由于電路對于RC 網絡呈現很的輸入阻抗, 因此, 整個電路的選頻特性基本上取決于RC 網絡。當放大器同相工作時, 輸入端有較高高共模電壓, 要選擇共模輸入電壓較高高的運算放大器。
2..3 信號放大電路
經過前置放大器的差動放大、二高低通濾波電路之后, 被測流量信號的共模以及其他頻率的噪聲得到了大大的削弱。但是, 其信號幅值仍然很小, 需要進行幅值的***倍數不失真放大后, 才能進行信號的采集與分析。采用可調節***增益電壓放大電路來實現信號放大。該電路由MAX4197 和MAX4194 組成, MAX4194 的外接精密電阻用來調節放大器的增益, 如圖4 所示。圖4 .. 信號放大電路******A3 是MAX4197, MAX4197 是微功耗、單電源、滿擺幅、精密儀表放大器, 與MAX4194 屬于同一系列產品, 內部也是三運放的拓撲結構。與MAX4194 不同的是,MAX4197 由內部設定增益。第二***A4 是MAX4194, 根據流量信號的變化范圍, 通過對電阻Rg2 的調節, 其增益值可變。則該放大***的總增益即為兩***增益之積, 是可調的。對于***增益放大電路, 為了滿足輸出信號幅值的設計要求, 放大倍數通常較高大, 而作為測量電路本身的噪聲也會被放大, 因此只有通過負反饋環路, 消共模信號的, 才能確保電路對被測信號的放大作用。當流量測量信號進入測量電路時, 放大器與電容形成負反饋閉環電路, 測量電路的固有噪聲信號反饋到輸入端, 即電容C3 上的電壓值, 被測信號與電容上的噪聲構成差動信號, 從而去除固有噪聲信號, 有效減少噪聲信號的。由于是兩放大, 完全可以滿足電路對信號的放大要求, 使得整體放大倍數達到1 萬倍左右, 輸出信號幅值可以達到0..4V~ 2..5V, 進入后續的A/ D 采集部分。
論文設計了一種用于電磁流量計對感應電動勢進行信號調理電路, 包括儀用放大電路, 低通濾波電路和信號放大電路, 可以有效地抑制, 對信號進行放大, 從而達到測量要求。電路中使用的運算放大器均采用低電壓微功耗器件, 大大降低了電路的功耗。該信號調理電路也使用與其他電池供電的便攜式測試系統。