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电磁流量计中常见的信号放大电路设计及其优缺点 |
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| 发布日期：2023-08-28 点击：531次 |
现代工业电磁流量计从20世纪50年代产品问世以来随着电子技术和计算机技术的发展逐渐成熟完善和智能化，智能化的重要标志是微处理器的使用。电磁流量传感器输出的高内阻、高共模且微弱的有用信号不能被微处理器直接接受,需要模数转换器首先对传感器输出的模拟信号进行数字化。直到21世纪初之前工业用途的分辨率高、低噪声模数转换器仍是稀少和昂贵的商品，所以传感器信号必需被放大数百至上千倍后再数字化，从而可以使用成本较低同时分辨率也较低的模数转换器。从20世纪的工业电磁流量计产品进化来的、目前仍然很常见的信号处理电路通常包括前置放大，后级放大，带通滤波,采样保持,模数转换等。如图1所示:微伏级的信号被前置放大器放大约十倍后交流耦合至后级;接着使用带通滤波器把信号进一步放大几十倍近伏级。被放大近伏级的信号经过微处理器控制的采样保持电路滤除尖峰，变成缓慢的直流信号送入模数转换器。该方法对模数转换器的性能要求不高，通常14~16比特的分辨率和几千赫兹的输出数据率即可。它的优点是成熟稳定和被广泛验证，缺点是放大电路级数较多、增益倍数较高造成电路结构复杂，容易振荡，线性损失，过长的低通滤波时间常数会影响对流量阶跃变化做出迅速响应，另外在物料成本、功耗、电路尺寸、可靠性等方面也有劣势。
电磁流量传感器的响应通常为150 μV/( m/s)到200μV/(m/s)，因为调制励磁电流的换向，传感器的输出信号幅值加倍。以150 μV/( m/s)(300 μV峰峰值)响应为例，对0.3~15 m/s流速的量程范围，传感器输出信号幅值在90 μV峰峰值到4.5 mV峰峰值之间。保证流速信号被模数转换器正确分辨的最低要求是出现在模数转换器输人端的传感器信号幅值不得大于模数转换器噪声的一半。模数转换器无噪声分辨率的计算公式如式(1)所示。瞬时流速对应的传感器信号幅值可被当作对模数转换器噪声的最低要求。由表1可见前级放大电路增益越低对模数转换器的无噪声分辨率指标的要求越高。这是20世纪后期数十年里在缺少成本可负担、高分辨率的模数转换器的条件下，工业电磁流量计普遍使用几百至，上千倍增益的多级放大电路的重要原因。
电子进步使得在本世纪初开始出现越来越多性价比更好的低噪声24比特模数转换器产品。随之出现的数字过采样交流信号耦合放大是一种改进的电路结构。如图2所示传感器电极输出信号使用电容耦合，在前置放大级采用自举电路提高输人阻抗，真差分输出到模数转换器。省略模拟带通放大、采样保持等电路。较高速的模数转换器对前置放大器的输出做过采样。微处理器在数字域内重建流速信号波形、同步解调交流信号、滤除尖峰和噪声，计算流速信号。该电路与前一-种电路相比的优点是:更少的元件，更低的价格，真差分信号的抗干扰，接受较宽的输人共模电压范围。
电磁流量计的信号放大电路需要很高输人阻抗以防止传感器输出过载带来的信号幅度减小从而导致测量精度和重复性的损失。如图3所示电磁流量计常用自举放大器在信号输人端串联耦合电容同时又具有高的输人阻抗巴。图3的放大电路的输入阻抗Rn可用式(2)计算门。放大电路的输人阻抗与外部电阻、电容的数值和励磁频率高低有关甲。以最常用的1/8工频励磁为例如表2所示，需要使用十兆欧姆电阻才能达到上千兆的输人阻抗。
但是自举放大器输人级结构也存在缺点:交流耦合电容容值必需选择至少在微法以上,容值且精密匹配的电容网络稀少而贵。公差通常是10%~20%很难达到1%的微法级的分立电容器件会显著降低电路的共模抑制比和引入交流信号的相位偏差。为达到109Ω直流输人阻抗,自举放大器电路需要用到10MΩ级的外部电阻。这些电阻的不匹配会带来共模抑制比的显著下降,比如0.1%电阻公差能达到66分贝共模抑制比，1%电阻公差只能达到34分贝共模抑制比。电磁流量计放大电路要求大于100分贝的共模抑制比需要四个采用厚/薄膜技术具有0.01%或更佳的绝对值及温度系数匹配的单衬底高阻值电阻网络4价格十分昂贵且难得。
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