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電磁流量計(jì)中常見的信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)及其優(yōu)缺點(diǎn) |
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| 發(fā)布日期：2023-08-28 點(diǎn)擊：595次 |
現(xiàn)代工業(yè)電磁流量計(jì)從20世紀(jì)50年代產(chǎn)品問世以來隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展逐漸成熟完善和智能化，智能化的重要標(biāo)志是微處理器的使用。電磁流量傳感器輸出的高內(nèi)阻、高共模且微弱的有用信號(hào)不能被微處理器直接接受,需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器首先對(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。直到21世紀(jì)初之前工業(yè)用途的分辨率高、低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器仍是稀少和昂貴的商品，所以傳感器信號(hào)必需被放大數(shù)百至上千倍后再數(shù)字化，從而可以使用成本較低同時(shí)分辨率也較低的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。從20世紀(jì)的工業(yè)電磁流量計(jì)產(chǎn)品進(jìn)化來的、目前仍然很常見的信號(hào)處理電路通常包括前置放大，后級(jí)放大，帶通濾波,采樣保持,模數(shù)轉(zhuǎn)換等。如圖1所示:微伏級(jí)的信號(hào)被前置放大器放大約十倍后交流耦合至后級(jí);接著使用帶通濾波器把信號(hào)進(jìn)一步放大幾十倍近伏級(jí)。被放大近伏級(jí)的信號(hào)經(jīng)過微處理器控制的采樣保持電路濾除尖峰，變成緩慢的直流信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該方法對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能要求不高，通常14~16比特的分辨率和幾千赫茲的輸出數(shù)據(jù)率即可。它的優(yōu)點(diǎn)是成熟穩(wěn)定和被廣泛驗(yàn)證，缺點(diǎn)是放大電路級(jí)數(shù)較多、增益倍數(shù)較高造成電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易振蕩，線性損失，過長(zhǎng)的低通濾波時(shí)間常數(shù)會(huì)影響對(duì)流量階躍變化做出迅速響應(yīng)，另外在物料成本、功耗、電路尺寸、可靠性等方面也有劣勢(shì)。
電磁流量傳感器的響應(yīng)通常為150 μV/( m/s)到200μV/(m/s)，因?yàn)檎{(diào)制勵(lì)磁電流的換向，傳感器的輸出信號(hào)幅值加倍。以150 μV/( m/s)(300 μV峰峰值)響應(yīng)為例，對(duì)0.3~15 m/s流速的量程范圍，傳感器輸出信號(hào)幅值在90 μV峰峰值到4.5 mV峰峰值之間。保證流速信號(hào)被模數(shù)轉(zhuǎn)換器正確分辨的最低要求是出現(xiàn)在模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸人端的傳感器信號(hào)幅值不得大于模數(shù)轉(zhuǎn)換器噪聲的一半。模數(shù)轉(zhuǎn)換器無噪聲分辨率的計(jì)算公式如式(1)所示。瞬時(shí)流速對(duì)應(yīng)的傳感器信號(hào)幅值可被當(dāng)作對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器噪聲的最低要求。由表1可見前級(jí)放大電路增益越低對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的無噪聲分辨率指標(biāo)的要求越高。這是20世紀(jì)后期數(shù)十年里在缺少成本可負(fù)擔(dān)、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的條件下，工業(yè)電磁流量計(jì)普遍使用幾百至，上千倍增益的多級(jí)放大電路的重要原因。
電子進(jìn)步使得在本世紀(jì)初開始出現(xiàn)越來越多性價(jià)比更好的低噪聲24比特模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。隨之出現(xiàn)的數(shù)字過采樣交流信號(hào)耦合放大是一種改進(jìn)的電路結(jié)構(gòu)。如圖2所示傳感器電極輸出信號(hào)使用電容耦合，在前置放大級(jí)采用自舉電路提高輸人阻抗，真差分輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器。省略模擬帶通放大、采樣保持等電路。較高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)前置放大器的輸出做過采樣。微處理器在數(shù)字域內(nèi)重建流速信號(hào)波形、同步解調(diào)交流信號(hào)、濾除尖峰和噪聲，計(jì)算流速信號(hào)。該電路與前一-種電路相比的優(yōu)點(diǎn)是:更少的元件，更低的價(jià)格，真差分信號(hào)的抗干擾，接受較寬的輸人共模電壓范圍。
電磁流量計(jì)的信號(hào)放大電路需要很高輸人阻抗以防止傳感器輸出過載帶來的信號(hào)幅度減小從而導(dǎo)致測(cè)量精度和重復(fù)性的損失。如圖3所示電磁流量計(jì)常用自舉放大器在信號(hào)輸人端串聯(lián)耦合電容同時(shí)又具有高的輸人阻抗巴。圖3的放大電路的輸入阻抗Rn可用式(2)計(jì)算門。放大電路的輸人阻抗與外部電阻、電容的數(shù)值和勵(lì)磁頻率高低有關(guān)甲。以最常用的1/8工頻勵(lì)磁為例如表2所示，需要使用十兆歐姆電阻才能達(dá)到上千兆的輸人阻抗。
但是自舉放大器輸人級(jí)結(jié)構(gòu)也存在缺點(diǎn):交流耦合電容容值必需選擇至少在微法以上,容值且精密匹配的電容網(wǎng)絡(luò)稀少而貴。公差通常是10%~20%很難達(dá)到1%的微法級(jí)的分立電容器件會(huì)顯著降低電路的共模抑制比和引入交流信號(hào)的相位偏差。為達(dá)到109Ω直流輸人阻抗,自舉放大器電路需要用到10MΩ級(jí)的外部電阻。這些電阻的不匹配會(huì)帶來共模抑制比的顯著下降,比如0.1%電阻公差能達(dá)到66分貝共模抑制比，1%電阻公差只能達(dá)到34分貝共模抑制比。電磁流量計(jì)放大電路要求大于100分貝的共模抑制比需要四個(gè)采用厚/薄膜技術(shù)具有0.01%或更佳的絕對(duì)值及溫度系數(shù)匹配的單襯底高阻值電阻網(wǎng)絡(luò)4價(jià)格十分昂貴且難得。
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