论文介绍了电磁流量计的信号调理电路, 它是精度电磁流量计的关键部分,详细阐述了仪用放大器, 低通滤波电路和信号放大电路的设计, 说明了根据要求所设计的电路结构及功能并且突出了低功耗设计。                          

  智能电磁流量计的测量原理是基于法拉第电磁感应定律, 导电流体在交变磁场中做切割磁力线运动产生感应电动势, 经过推导得到流体体积和感应电动势的关系式: Q = D 4BE,通过测量感应电动势达到测流量的目的,感应电动势是一种低频, 低电压信号, 并且参杂有很多信号, 在进行AD 采集前必须经过处理达到采集要求,论文设计了一种在电池供电电磁流量计系统中使用的信号调理电路, 可以实现对微小信号的调理, 同时电路功耗较高低。

  2 .信号调理电路设计

  2..1 仪用放大电路

   由激磁线圈产生的三值矩形波信号的频率为6..25Hz, 则感应电动势也为同频率的交流信号, 即被测信号。从前端传感器检测到的信号内阻, 即被测流体的内阻很大( 与流体的电导率直接相关) , 一般为几兆欧姆。为了减小信号电压的损失, 使信号电压尽可能多的进入转换器测量电路, 要求放大器的输入电阻要远远大于信号内阻。由于被测信号属于低频信号, 不能用阻容藕合放大器进行放大, 需要频带从一开始的直流放大器。那么直流放大器将面临两个问题: ***是前***和后***的静态工作点互相影响, 二是特点漂移问题。前引起的特点漂移电压, 再被后放大, 最终将掩盖正常的信号输出。而差动放大电路因其具有特殊的电路结构, 能够有效地抑制特点漂移, 因此测量电路的******采用仪表放大器。仪表放大器是一种***增益、直流耦合放大器, 它具有差分输入、单端输出、***输入阻抗和***共模抑制比等特点。仪表放大器所采用的基础部件( 运算放大器) , 它们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。标准运算放大器是单端器件, 其传输函数主要由反馈网络决定; 而仪表放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号, 因而具有很的共模抑制比( CMR) 。前置放大器采用美国MAXIM 公司的微功耗精度增益可调的仪表放大器MAX4194。MAX4194 的特点是适用于电源电压较高低并且功耗要求很低的场合。MAX4194 低功耗仪表放大器属于三运放拓扑结构, 三运放拓扑的真正优势是能够进行真正的差分测量( 很的CMR ) , 同时又有非常***的输入阻抗, 这些特点使其得到了广泛应用, 特别是在信号源阻抗非常***的场合。其拓扑结构如图1 所示。图1 .. MAX4194 结构图由于特性优良, 加之体积小, 并可通过一个外置电阻方便地设定增益, 使其能够广泛应用于信号采集放大、医用仪器及多通道系统等很多领域, 可以在低***.. 1..35V 的电源电压下工作并且静态工作电流很小, 是便携式和其它用电池供电系统的理想器件。它的输入***是由两个运放组成的串联差分前置放大器, 两个运放可提供固定的差分增益和单位共模增益, 具有很的输入电阻。由于这两个运放的参数性能完全相同, 因此两运放的共模增益、失调及漂移产生的误差基本抵消了; 输出***是常规的差分放大器, 将前***的双端输出转变为单端输出, 抑止了共模信号, 具有115dB 的共模抑制比( G= 10) 。MAX4194 的增益G 可由外部设定; 放大器的共模电压输入范围是VEE + 0..2V 到VCC - 1..1V。理想情况下, 仪表放大器只对作用在IN+ 和IN- 两个输入端的差分电压有响应, 当两个输入端电压相同时, 输出为VREF。IN + 和IN- 之间的差分电压将在增益设置电阻上产生相同的电压和相应电流IG , 该电流流过两个输入运放A1 和A2 的反馈电阻产生的电压差为:

VOUT 2- VOUT 1= IG..( R1+ RG + R1) ) ( 1) 其中VOUT 1和VOUT 2分别是A1 和A2 的输出电压, RG 是增益调节电阻。此时的IG 为: IG= ( VIN + - VIN - ) / RG) ( 2) 则仪用放大器的输出电压VOUT 表示为: VOUT = ( VIN+ VIN - ) .. ( 2R1/ RG+ 1) ) ( 3) 所以增益的计算公式为: G = 1+ ( 2R1/ RG ) ( 4) 在仪表放大器的具体应用中, 共模输入电压、电源电压、增益、REF 引脚电压和传感器阻抗必须综合考察。利用放大器的REF 引脚可以对输出失调电压进行微调; 而对于加在REF 引脚上的微调电压, 则必须确保有一个较高低的源阻抗, 因为REF 引脚上的附加阻抗将使CMR 变低。电阻的匹配必须非常***才能获得可接受的共模抑制比, 任一个电阻值存在偏差都将使CMR 降低。外接增益设置电阻砚是仪表放大器的关键部件, 要具有较高好的温度系数和温度一致性, 它的精度及温度稳定性直接影响增益, 对于放大器的总体性能有较高大影响。特别是增益较高大时( G ..100) , 连线及插口的电阻也会对增益带来附加误差。也就是说, 式中的RG 值应为外接电阻与连线等杂散电阻的总和。考虑到被测信号中强噪声的存在, 减少噪声进入后续电路以及使得精密仪用放大器处于线性工作区, 选***放大倍数约为10, 取RG 为5..5K.. 。连接电路如图2 所示: 图2 .. 仪用放大器电路在噪声方面, MAX4194 的内部噪声很小, 当G ..100 时, 从0..1 到10Hz 的低频噪声大约只有0..6 ..VRMS 。MAX4194 经过激光校正, 因此, 失调和温漂都很小, 多数情况下无需调整, 必要时可对电路进行外部补偿。由于参杂在有用流量信号中的共模电压***避免, 若输入信号中的共模电压过大, 则会使输入放大器饱和, 因此需要考虑所选仪用放大器的输入共模电压范围。在临界饱和时, MAX4194 的输出电压为VOUT = VCM - V0/ 2。MAX4194 的线性输入范围大约从负电源以上0..2V 到正电源以下l. 1V。能有效地抑制共模电压, 即两测量电极对参考地之间的同相电压, 是本设计中前置放大器性能的重要体现。对于流量信号比较高微弱的测量, 前置放大器的共模抑制比的要求就******。前置放大器对信号进行差动放大, 理论上可以完全消除掉共模电压信号的输出, 但是由于电路参数的非对称性造成了共模电压的输出。因此, 在前置放大器的设计中, 除了选择对称性非常好的集成仪表放大器, 还需要注意电路中的电阻、电容的对称精度和温度系数。一般电阻使用精密电阻, 其温度系数均在20 .. 10- 6/ .. 以内。

   2..2 低通滤波电路

   由传感器测量电极检测到的电压信号, 经过仪用放大电路后变为单端信号,由于测到的电压信号属微弱信号, 信号的幅度相对较高大, 为保证前置放大器工作在线性区域, 所以前置放大器的输出幅度仍然很低, 不能直接进信号采样, 还需要再经数百倍的放大。同时需要注意的是, ***倍多高的放大必须预防放大器的自激振荡。此外, 测量电路及器件本身存在噪声外, 还有电磁、静电等因素, 流量信号中仍然可能含有多种频率成分的噪声。严重时这些噪声可能淹没真正的流量信号, 使得测量系统无法获取有用的流量信号。因此, 在采集信号前需要进行滤波处理, 将不需要的噪声信号抑制掉, 用以增加测量系统的信噪比。设计中流量信号的频率是6..25Hz, 属低频信号, 所以设计使用低通滤波电路。低通滤波器在电路中的作用是让有用的低频信号顺利通过, 并得以放大。而对于高频的、杂散无用的信号, 则有很大的衰减作用。可以通过的频率范围为通带, 不能通过的频率范围为阻带。通带和阻带的界限频率称为截高频率。其频率特性用Q 值( 品质因素) 来衡量。Q 值越***, 灵敏度越***, 频率选择特性越好, 通带越窄。滤波电路分有源滤波和无源滤波。由RC 网络组成的无源滤波电路结构简单, 但是它的选择性差, 带负载能力差; 由集成运放和RC 网络共同组成的滤波电路, 由于集成运放是有源器件, 属于有源滤波电路, 具有选择性好、带负载能力强的特点。图3  低通滤波电路综合以上分析, 论文采用二高低通滤波电路。运算放大器选用美国AD 公司的OP90。它是一种低电压微功耗器件, 单、双电源两种供电模式。测量信号属于微小信

号, 采用单电原供电, 供电范围是+ 1..6V ~ + 36V。此外, 它的开环增益很小700V/ mV, 较高高的共模抑制比, 非常适合电池供电系统。电路连接如图3 所示。电路具有同相输入结构, 集成运放接成电压跟随器的形式, 直流输入电阻很, 输出电阻很低, 具有很强的带负载能力。由于电路对于RC 网络呈现很的输入阻抗, 因此, 整个电路的选频特性基本上取决于RC 网络。当放大器同相工作时, 输入端有较高高共模电压, 要选择共模输入电压较高高的运算放大器。

  2..3 信号放大电路

   经过前置放大器的差动放大、二高低通滤波电路之后, 被测流量信号的共模以及其他频率的噪声得到了大大的削弱。但是, 其信号幅值仍然很小, 需要进行幅值的***倍数不失真放大后, 才能进行信号的采集与分析。采用可调节***增益电压放大电路来实现信号放大。该电路由MAX4197 和MAX4194 组成, MAX4194 的外接精密电阻用来调节放大器的增益, 如图4 所示。图4 .. 信号放大电路******A3 是MAX4197, MAX4197 是微功耗、单电源、满摆幅、精密仪表放大器, 与MAX4194 属于同一系列产品, 内部也是三运放的拓扑结构。与MAX4194 不同的是,MAX4197 由内部设定增益。第二***A4 是MAX4194, 根据流量信号的变化范围, 通过对电阻Rg2 的调节, 其增益值可变。则该放大***的总增益即为两***增益之积, 是可调的。对于***增益放大电路, 为了满足输出信号幅值的设计要求, 放大倍数通常较高大, 而作为测量电路本身的噪声也会被放大, 因此只有通过负反馈环路, 消共模信号的, 才能确保电路对被测信号的放大作用。当流量测量信号进入测量电路时, 放大器与电容形成负反馈闭环电路, 测量电路的固有噪声信号反馈到输入端, 即电容C3 上的电压值, 被测信号与电容上的噪声构成差动信号, 从而去除固有噪声信号, 有效减少噪声信号的。由于是两放大, 完全可以满足电路对信号的放大要求, 使得整体放大倍数达到1 万倍左右, 输出信号幅值可以达到0..4V~ 2..5V, 进入后续的A/ D 采集部分。

   论文设计了一种用于电磁流量计对感应电动势进行信号调理电路, 包括仪用放大电路, 低通滤波电路和信号放大电路, 可以有效地抑制, 对信号进行放大, 从而达到测量要求。电路中使用的运算放大器均采用低电压微功耗器件, 大大降低了电路的功耗。该信号调理电路也使用与其他电池供电的便携式测试系统。