恒磁式電磁流量計轉換器電路設計

恒磁式電磁流量計轉換器電路設計
   本課題設計的恒磁式電磁流量計轉換器的主要功能是接受傳感器感應電動勢信號，排除各種干擾，并將信號進行放大，經A／D轉換后成為標準的數字輸出信號，提供給單片機做進一步的分析與處理。轉換器的結構框圖如圖4．7所不o 儀信I電極信號sl卜-◆ 表號低射A 差反通極D 分—l◆ 濾跟C 相I電極信號s2卜一◆ 放放波隨采器器樣大大圖4．7轉換器的結構框圖
   4．3．1．1 前置放大電路
   前置放大電路是測量電路中重要的部分之一，需要解決流量信號測量中的高輸入阻抗和高共模抑制比及低噪聲、高增益等問題。本課題采用具有高共模抑制比的儀表放大器INAl28，INAl28為BB公司生產的精密、低功耗儀表放大器。
   儀表放大器是一種用來測量兩個輸入端之間的電位差，并以設定的增益對信號進行精密放大的專用增益模塊，它是與傳感器配合使用的重要放大器。其內部是三運放構成的并聯同相差動放大結構，具體儀表差分放大電路的結構圖如圖4．8所示。圖4．8儀表放大器原理圖
   運算放大器A1和A2構成級同相放大電路，A3構成第二級差分放大電路，其中A1、A2和A3均為高性能的運算放大器。待放大的信號V1和V2 分別接到A1和A2的同相端。如果忽略輸入偏置電流，則有以下關系： "CH魯卜毒Ⅵ ㈤， ％2 Cl+到Rw)一2苦V (4-2) Vo 2魯(Vo-％)2魯LH毫}](V％) (4-3) 因此，該電路的總增益為： ～2最2魯CH蛩j ㈤
    RW是調整放大倍數的外接電阻，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。儀表放大器具有良好的特性，高輸入阻抗和高共模抑制比，偏置電流低，溫度穩定性好，平衡的差動輸入，單端輸出，而且增益可由用戶選擇不同的增益電阻來確定，因而是一種高性能的放大器，適合于在大的共模電壓下對微小差分信號進行放大。儀表放大器常用于熱電偶、應變電橋、流量計量、生物測量以及其他有共模干擾、目．本質匕是直流緩變的微弱差分信號的放大場合【捌。
    本課題采用的INAl28的具體性能參數可參閱其數據手冊。以INAl28為主的前置放大電路有效解決了流量信號測量中的高輸入阻抗和高共模抑制比以及低噪聲、高增益等問題。本課題前置放大電路的放大倍數取為10。
   4．3．1．2 主放大及濾波電路
    傳感器產生的流量信號經前置放大器阻抗轉換、抑制共模干擾電壓，轉換為單端信號，其輸出幅度仍然很低，不能直接進入到信號的采樣和轉換電路， 必須再次經過信號的放大。此外，測量電路及器件本身存在噪聲以及外界電磁干擾、靜電干擾等因素，信號中仍然可能含有多種頻率成分的噪聲。嚴重情況下，這些噪聲信號會淹沒真正的流量信號，使測量系統無法獲取有用的流量信號。在這種情況下，需要采用濾波措施，將不需要的雜散信號抑制掉。直流極化電壓在上一級的前置放大電路的差分中已經消除，而恒磁式電磁流量計沒有勵磁線圈，因此沒有勵磁頻率的干擾。此時信號中的干擾主要是一些高頻的噪聲干擾，故選用低通濾波器。
    實際的測量信號主放大及濾波電路見附錄一。主放大電路采用超低功耗運算放大器OP281，OP281是ADI公司生產的可單電源供電、軌對軌輸出的高性能運放，而且其內部集成了兩個性能一致的運放。OP281的具體性能參數可參閱其數據手冊。主放大電路使用了OP281中的一個運放，采用反相型放大電路， 并取電路的放大倍數為30。這樣流量信號在整個轉換器電路的放大倍數為前置放大電路的放大倍數和主放大電路的放大倍數之積，即300倍。放大后的信號經過低通濾波器電路。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、雜散無用的干擾信號，則有很大的衰減作用。可以通過的頻率范圍為通帶，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。
    根據被測信號的特點及上述分析，濾波電路選擇了單位增益的二階巴特沃斯有源低通濾波器，如圖4．9所示。峪s S) 圖4．9二階有源低通濾波器電路具有同相輸入結構，運算放大器采用OP281中的另一個運放，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。在此濾波電路中，R1=R2=10K，C1=C2=0．68心，則低通截止頻率為兀2荔象≈23·4Hz。
   4．3．1．3 信號電平提升電路
   由于微處理器C8051F410為單極性電源供電，因此其片內A／D轉換器的電壓輸入也為單極性輸入，即嘰3．6V，而經放大和濾波后輸出的流量信號為雙極性信號，因此必須經過電平提升電路將信號轉換為單極性信號，其電路圖如圖4．10所示。+3．6V 圖4．10信號電平提升電路圖此電平提升電路其實包括兩部分，部分完成的功能是把輸入信號加上3．6V后轉換為的單極性信號；第二部分是運放的同相射極跟隨器，用來隔離前面的信號放大電路和后面A／D轉換電路，具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的優點。這樣就使最初輸入的流量測量信號從±3．6V轉換為單極性的啦3．6V，并和后面的同相射極跟隨器一起，為接下來的A／D采樣做好了準備。
   4．3．1．4 A／I)轉換電路
   從放大濾波電路中得到的信號為模擬電壓信號，但是MCU只能處理數字信號，所以必須通過A／D轉換器(簡稱ADC)電路將模擬信號轉換為數字信號。因而，ADC的選擇非常重要，直接影響測量的準確度和精度。其主要性能指標包括分辨率、轉換速度、轉換精度等。按照工作原理，ADC主要包括逐次逼近寄存器(SAR)型、并行比較型、V／F轉換型、雙積分型和Σ．△型等多種類型。其中，SAR型模數轉換器采樣速率不高，輸入帶寬也較低，它的優點是原理簡單，便于實現，不存在延遲問題，適用于中速率而分辨率要求較高的場合，其原理圖如圖4．11所示。輸出圖4．11 逐次逼近A／D變換器原理圖圖4．1 l中，模擬信號經采樣后被保持在采樣／保持單元中，它首先與地比較產生符號位，為使D／A變換器的輸出為“O"，對應為地，數據鎖存器在采樣時應該復位，使所有輸出數據DoDlD2···Dn為“0"，其對應得D／A輸出也為“0”。符號位Do確定后，鎖存器置Dl為“l’’(注意，這里的Dl是設置的)，這時D／A 的輸入為D0100···0，D／A輸出為Do，對應象限滿刻度值的一半，第二次比較是保持的模擬電壓與D／A的輸出之間進行的，比較器的輸出去刷新Dl的值。接著置D2為“1"，模擬電壓與DoDll00·-·0的D／A變換后的值進行比較，產生D2位，·····．o如此進行下去，直到所有n位都產生為止。最后通過開關將鎖存器中的數據輸出到所需要的地方。
   電磁流量轉換器測量的信號是低速緩慢變化的，采樣時間一般在幾個到幾十個毫秒，通常可以選用較低速A／D轉換器。但是，由于電磁流量轉換器需要寬量程和高精度，需要選擇位數多的A／D轉換器。考慮到性價比，本課題采用微處理器C8051F410內部自帶的12位SAR型A／D轉換器ADC0。ADC0子系統集成了一個12位SAR ADC和一個27通道單端輸入多路選擇器，該ADC可編程轉換速率，轉換速率為200ksps。ADC系統包含一個可編程的模擬多路選擇器，用于選擇ADC的輸入，可編程為單端輸入或差分輸入。端NO’2可以作為ADC的輸入；另外，片內溫度傳感器的輸出和電源電壓(VDD)也可以作為ADC的輸入；內部有電壓基準，可通過編程來確定是1．5V或2．2V。用戶固件可以將ADC置于關斷狀態或使用突發模式以節省功耗。
   本課題設計的系統中，ADC0采用內部2．2V電壓基準，工作在突發模式以節省功耗，并通過多路選擇器實現對多路信號的A／D轉換。在圖4．7中，兩個電極信號S1和S2經過儀表差分放大電路后，系統的共模信號受到充分抑制，包括極化電壓信號，并獲得電極信號中反映流體流量的感應電動勢信號，對其進行放大、濾波，經過信號電平提升電路后進入同相射極跟隨器，然后通過A／D采樣，轉換后的數字信號發送到單片機做進一步的分析與處理。--擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節流裝置、節流孔板、限流孔板等流量產品，更多有關電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網站：