涡轮流量计代理商 电池信号调理电路分析,张毓婷

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。

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