一種在電池供電電磁流量計系統中使用的信號調理電路

　　論文介紹了電磁流量計的信號調理電路, 它是高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, 需要頻帶從零開始的直流放大器。那么直流放大器將面臨兩個問題: 一是前級和后級的靜態工作點互相影響, 二是零點漂移問題。前級引起的零點漂移電壓, 再被后級放大, 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, 能夠有效地抑制零點漂移, 因此測量電路的第一級采用儀表放大器。儀表放大器是一種高增益、直流耦合放大器, 它具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比等特點。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, 因而具有很高的共模抑制比( CMR) 。前置放大器采用美國MAXIM 公司的微功耗高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( 很高的CMR ) , 同時又有非常高的輸入阻抗, 這些特點使其得到了廣泛應用, 特別是在信號源阻抗非常高的場合。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, 可以在低至.. 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。它的輸入級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, 具有很高的輸入電阻。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; 輸出級是常規的差分放大器, 將前級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精確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大影響。特別是增益較大時( 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?？紤]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, 選第一級放大倍數約為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不可避免, 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。對于流量信號比較微弱的測量, 前置放大器的共模抑制比的要求就更高。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, 高倍多級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?？梢酝ㄟ^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至頻率。其頻率特性用Q 值( 品質因素) 來衡量。Q 值越高, 靈敏度越高, 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, 論文采用二階低通濾波電路。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, 它的開環增益最小700V/ mV, 較高的共模抑制比, 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, 直流輸入電阻很高, 輸出電阻很低, 具有很強的帶負載能力。由于電路對于RC 網絡呈現很高的輸入阻抗, 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, 輸入端有較高共模電壓, 要選擇共模輸入電壓較高的運算放大器。

　　2..3 信號放大電路

　　經過前置放大器的差動放大、二階低通濾波電路之后, 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, 需要進行幅值的高倍數不失真放大后, 才能進行信號的采集與分析。采用可調節高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 .. 信號放大電路第一級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。第二級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。則該放大級的總增益即為兩級增益之積, 是可調的。對于高增益放大電路, 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。由于是兩級放大, 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。