一种在电池供电电磁流量计系统中使用的信号调理电路
发布日期:2017-7-13 10:36:39
论文介绍了电磁流量计的信号调理电路, 它是高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, 需要频带从零开始的直流放大器。那么直流放大器将面临两个问题: 一是前级和后级的静态工作点互相影响, 二是零点漂移问题。前级引起的零点漂移电压, 再被后级放大, 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, 能够有效地抑制零点漂移, 因此测量电路的第一级采用仪表放大器。仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器, 它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。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, 因而具有很高的共模抑制比( CMR) 。前置放大器采用美国MAXIM 公司的微功耗高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( 很高的CMR ) , 同时又有非常高的输入阻抗, 这些特点使其得到了广泛应用, 特别是在信号源阻抗非常高的场合。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, 可以在低至.. 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。它的输入级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, 具有很高的输入电阻。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; 输出级是常规的差分放大器, 将前级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精确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大影响。特别是增益较大时( 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, 选第一级放大倍数约为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不可避免, 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。对于流量信号比较微弱的测量, 前置放大器的共模抑制比的要求就更高。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, 高倍多级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至频率。其频率特性用Q 值( 品质因素) 来衡量。Q 值越高, 灵敏度越高, 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, 论文采用二阶低通滤波电路。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, 它的开环增益最小700V/ mV, 较高的共模抑制比, 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, 直流输入电阻很高, 输出电阻很低, 具有很强的带负载能力。由于电路对于RC 网络呈现很高的输入阻抗, 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, 输入端有较高共模电压, 要选择共模输入电压较高的运算放大器。
  2..3 信号放大电路
   经过前置放大器的差动放大、二阶低通滤波电路之后, 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, 需要进行幅值的高倍数不失真放大后, 才能进行信号的采集与分析。采用可调节高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 .. 信号放大电路第一级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。第二级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。则该放大级的总增益即为两级增益之积, 是可调的。对于高增益放大电路, 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。由于是两级放大, 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。
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