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一种在电池供电电磁流量计系统中使用的信号调

文章作者:红旗仪表(江苏)有限公司    发布时间:2021-02-22
介绍了高精度电磁流量计的关键部件——电磁流量计的信号调理电路。详细介绍了仪表放大器、低通滤波电路和信号放大电路的设计。阐述了按要求设计的电路结构和功能,突出了低功耗设计。
智能电磁流量计的测量原理基于法拉第电磁感应定律。导电流体在交变磁场中切割磁力线,产生感应电动势。推导出流体体积与感应电动势的关系:Q=D4BE。感应电动势是一种低频低压信号,包含许多信号。AD采集前必须经过处理,满足采集要求。本文设计了一种用于电池供电的电磁流量计系统的信号调理电路
电池供电的电磁流量计。
2.信号调理电路的设计。
2..1仪器放大器电路。
当激励线圈产生的三值矩形波信号的频率为66..25Hz,感应电动势也是同频率的交流信号,即被测信号。前端传感器检测到的信号的内阻,也就是被测流体的内阻非常大(与流体的电导率直接相关),一般为几兆欧姆。为了减少信号电压的损失,使信号电压尽可能多地进入转换器的测量电路,要求放大器的输入电阻远大于信号内阻。由于被测信号是低频信号,不能被阻容耦合放大器放大,需要一个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相互影响;第二,零点漂移问题。前一级引起的零漂移电压被后一级放大,最终***会掩盖正常的信号输出。由于其特殊的电路结构,差分放大电路可以有效地抑制零点漂移,因此仪表放大器被用于测量电路的***级。仪表放大器是一种高增益、DC耦合放大器,具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比的特点。仪表放大器中使用的基本元件(运算放大器)在性能上与标准运算放大器有很大不同。标准运算放大器是单端器件,其传递函数主要由反馈网络决定。然而,仪表放大器可以在共模信号存在的情况下放大非常弱的差分信号,因此它具有高共模抑制比(CMR)。前置放大器采用MAXIM4194仪表放大器,微功耗,高精度,增益可调。MAX4194的特点是适用于低电源电压和低功耗要求的场合。MAX4194低功耗仪表放大器属于三运放拓扑。三运放拓扑的真正优势是可以进行实差分测量(非常高的CMR),输入阻抗非常高。这些特点使其得到了广泛的应用,尤其是在信号源阻抗非常高的情况下。其拓扑结构如图1所示。图11..MAX4194是便携式和其他电池供电系统的理想器件,因为它具有出色的特性、小尺寸和易于通过外部电阻设置增益。它可广泛应用于许多领域,如信号采集与放大、医疗仪器和多通道系统。它可以在低至...11..35V且其静态工作电流很小。其输入级是由两个运算放大器组成的串联差分前置放大器,可以在高输入电阻下提供固定的差分增益和单位共模增益。由于这两个运算放大器的参数和性能是相同的,所以两个运算放大器的共模增益、失调和漂移引起的误差基本上是抵消的。输出级为常规差分放大器,将前一级的双端输出转换为单端输出,抑制共模信号,共模抑制比(G=10)为115dB。MAX4194的增益g可以外部设置;放大器的共模电压输入范围为VEE+0..2V至VCC-1..1V。理想情况下,仪表放大器仅响应作用在输入+和输入-输入上的差分电压。当两个输入端的电压相同时,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的电流IG,并且由流经两个输入运算放大器A1和A2的反馈电阻的电流产生的电压差为:
VOUT2-VOUT1=IG..(R1+RG+R1))(1)VOUT1和VOUT2分别为A1和A2的输出电压,RG为增益调节电阻。此时IG为:IG=(VIN+-VIN-)/RG)(2),则仪表放大器的输出电压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)放大器的REF引脚可以用来微调输出失调电压;对于施加到REF引脚的调整电压,有必要确保低源阻抗,因为REF引脚上的附加阻抗会使共模抑制比低。电阻的匹配必须非常***才能获得可接受的共模抑制比。任何电阻值的任何偏差都会降低CMR。外部增益设置电阻砚是仪表放大器的关键部件,具有良好的温度系数和温度一致性。其精度和温度稳定性直接影响增益,对放大器的整体性能有很大影响。特别是当增益较大时(gG..100),连接和插座的电阻也会给增益带来额外的误差。也就是说,公式中的RG值应该是外部电阻、连接线等杂散电阻之和。考虑到被测信号中强噪声的存在,减少进入后续电路的噪声,使精密仪器放大器处于线性工作区,***级放大倍数约为10,RG为5....连接电路如图2所示:图2...噪音方面,MAX4194内部噪音很小。当GG..100,低频噪声从0...1到10Hz只有0左右...60..6..VRMS。MAX4194已经过激光校正,所以失调和温漂很小,大多数情况下不需要调整。如有必要,可以对电路进行外部补偿。由于有用流量信号中混合的共模电压是不可避免的,如果输入信号中的共模电压过大,输入放大器就会饱和,因此需要考虑所选仪表放大器的输入共模电压范围。临界饱和时,MAX4194的输出电压为VOUT=VCM-V0/2。MAX4194的线性输入范围约为0..负电源以上2V至1。低于正电源1v。它能有效地抑制共模电压,即两个测量电极与参考地之间的同相电压,这是本设计中前置放大器性能的重要体现。对于微弱流量信号的测量,对前置放大器的共模抑制比要求较高。理论上,前置放大器可以通过差分放大信号来完全消除共模电压信号的输出,但电路参数的不对称导致了共模电压的输出。因此,在前置放大器的设计中,除了选择对称性好的集成仪表放大器外,还要注意电路中电阻和电容的对称精度和温度系数。一般电阻采用精密电阻,温度系数都在20以内...10-6/...
2..2低通滤波电路。
传感器的测量电极检测到的电压信号经过仪器放大电路后变成单端信号。由于被测电压信号较弱,信号幅度比较大,为了保证前置放大器工作在线性区域,前置放大器的输出幅度还是很低,不能直接采样,需要放大几百倍。同时需要注意的是,在大功率多级放大中,必须防止放大器的自激振荡。此外,测量电路和装置本身也有噪声,还有电磁和静态因素,流量信号可能还含有多频率成分的噪声。在严重的情况下,这些噪声可能会淹没真实的流量信号,



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