電池供電電磁流量計(jì)自行設(shè)計(jì)的一種新型放大電路介紹

摘要：介紹電池供電電磁流量計(jì)測(cè)量放大電路借助于單片機(jī)的功能，自行設(shè)計(jì)的一種新型放大電路。它是高精度電池供電電磁流量計(jì)的基礎(chǔ)部分，也是*關(guān)鍵的部分。放大電路自身的精度優(yōu)于0.2％。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的溫度范圍可達(dá)-25～+80℃。在干擾信號(hào)幅度大于有用信號(hào)幅度10倍時(shí)，仍能保持0.2%精度。

1、問(wèn)題的提出

在精密測(cè)量系統(tǒng)中，如果待測(cè)信號(hào)為幾十微伏至1mV左右的交流信號(hào)，且信號(hào)的頻率與50Hz工頻相近時(shí)，放大電路的設(shè)計(jì)難度會(huì)很大。原因在于如果要用濾波電路濾除50Hz工頻干擾，則有用信號(hào)也會(huì)被濾除。而要放大幾十微伏的小信號(hào)，放大器的放大倍數(shù)通常都在5000～10000倍范圍內(nèi)，所以工頻干擾信號(hào)也被不加抑制地放大了，并且要比有用信號(hào)的幅度大得多。同時(shí)被放大的還有一些不規(guī)則的交流干擾信號(hào)。而這些干擾信號(hào)互相迭加起來(lái)的幅值要比有用的信號(hào)大十幾倍到二十幾倍。常規(guī)的數(shù)據(jù)采集電路中使用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入單片機(jī)，再用數(shù)字濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。用雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是眾所周知的，它可以濾除50Hz工頻干擾，條件是采樣時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格為20ms的整數(shù)倍。而工頻干擾也應(yīng)是嚴(yán)格的50Hz正弦交流信號(hào)。但現(xiàn)場(chǎng)的干擾信號(hào)是十分復(fù)雜的，以上這兩個(gè)條件都不一定能嚴(yán)格滿足，特別是當(dāng)干擾波形中含有其它頻率的信號(hào)時(shí)，雙積分A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)交流干擾的抑制作用就會(huì)下降。當(dāng)干擾信號(hào)幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有用信號(hào)時(shí)，雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的抗干擾效果也會(huì)明顯變差。

在采集程序中，用軟件濾波的方式雖然可以提高濾波效果，但濾波時(shí)間較長(zhǎng)，這是因?yàn)殡p積分A/D轉(zhuǎn)換器采集速度慢，而濾波程序通常要十幾個(gè)數(shù)據(jù)到幾十個(gè)數(shù)據(jù)才能有較好的濾波效果。因此，不能完全依靠軟件濾波，必須要用硬件電路和軟件控制相結(jié)合的辦法解決濾波問(wèn)題。

2、設(shè)計(jì)思想

電池供電電磁流量計(jì)是需要激磁的，目的是產(chǎn)生與導(dǎo)電液體流速成正比的電信號(hào)。同時(shí)激磁必須是雙向的，為的是消除電*兩端因單向激磁產(chǎn)生*化現(xiàn)象。被測(cè)信號(hào)的波形如圖1所示。

信號(hào)是以對(duì)稱方波脈沖的形式出現(xiàn)的。脈沖的寬度T為40ms，一個(gè)周期為160ms，T選擇的太大會(huì)給阻容耦合帶來(lái)困難。脈沖的占空比為0.5，也可以更小。脈沖的幅度正比于液體的流速。當(dāng)液體流速v=0.3m/s時(shí)，脈沖幅度只有60μV。此時(shí)的量程下限為v=0.05m/s，對(duì)應(yīng)的脈沖幅度約為l0μV，放大器的放大倍數(shù)選為5000。

從示波器上可以觀察到干擾信號(hào)的幅度大約為0.5V，而有用的脈沖信號(hào)的下限值為10μV×5000=50mV，如不仔細(xì)觀察是分辨不出有用信號(hào)的。為了將方波脈沖保留而將工頻干擾濾除，作者設(shè)計(jì)出這樣一種電路，可以將有用信號(hào)從干擾中選出來(lái)。電路原理如圖2所示。

從圖2中可以看出，由Al，A2，A3。所組成的放大電路為一個(gè)典型的高輸入阻抗的雙端輸入、單端輸出的交流放大電路。由A4，A5所組成的放大電路為一個(gè)高輸入阻抗的雙端輸入、單端輸出的直流放大電路。K1，K2采用模擬開(kāi)關(guān)CD4052。這是一個(gè)雙路四通道的模擬開(kāi)關(guān)。電路中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)是同步的。R是濾波電阻，C1，C2是兩只容量相同的濾波電容。

輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)Al，A2，A3所組成的交流放大器放大后在V01輸出一個(gè)方波信號(hào)。假定方波信號(hào)為正時(shí)開(kāi)關(guān)接通“1”通道。此時(shí)由于A5運(yùn)放為高阻輸入運(yùn)放，因此正的方波信號(hào)通過(guò)K2保持在電容C2上。而此時(shí)迭加在方波信號(hào)上的交流干擾信號(hào)則被R和C2組成的濾波器濾掉。同理，當(dāng)V01的信號(hào)波形為負(fù)時(shí)，通道“2”接通，K2的“2”通道懸空，C2上的電壓保持不變。此時(shí)負(fù)向方渡通過(guò)Kl的“2”通道與電容C1接通，負(fù)向方波被保持在C1上，而交流干擾信號(hào)被RC1濾掉。由此可見(jiàn)，正、負(fù)兩個(gè)方向的方波分別被保持在兩個(gè)電容上，其電壓*性相反，幅度為方波信號(hào)的峰峰值。只要濾波時(shí)間常數(shù)選取值t＞160ms，即七倍于工頻周期，50Hz的交流信號(hào)在電容上幾乎為零。用示波器是觀察不到的。

應(yīng)該指出的是RC濾波對(duì)方波信號(hào)也起延緩作用，但經(jīng)過(guò)七個(gè)周期的方波之后，電容上的電壓與方波的實(shí)際峰值誤差只有0.02％。電容上的波形與V01的波形如圖3所示。

由圖3可知，方波信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)斷續(xù)的過(guò)渡過(guò)程之后達(dá)到*大幅值。電路中實(shí)際選擇R=10kΩ，C1=C2=22μf，濾波時(shí)間常數(shù)τ=220ms，是工頻周期的ll倍。萬(wàn)用表交流檔測(cè)出的交流電壓只有0.2mV，電容上的電壓信號(hào)是一個(gè)相當(dāng)于倍壓峰值整流后的直流信號(hào)，通過(guò)后面的直流放大轉(zhuǎn)換器將差動(dòng)電壓△Ve放大并轉(zhuǎn)換為單*性直流信號(hào)，然后送給A/D轉(zhuǎn)換器，這時(shí)的A/D轉(zhuǎn)換器可以選擇任何類型的芯片。

該放大電路還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即共模抑制比CMRR非常高。原因是當(dāng)共模干擾信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，會(huì)將V01的輸出波形作上下平移，但由于正負(fù)波形的峰峰值未改變，盡管電容上的電壓會(huì)隨著改變，但其差值不會(huì)改變，即△Vc=Vc1-Vc2不隨共模電壓變化。其CMRR＞90dB，因此這個(gè)放大電路的抗共模干擾能力是非常強(qiáng)的。

由于CD4052的*“0”通道接地，因此可以校正A4，A5和A/D產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移，但其前提是的零點(diǎn)漂移可以忽略。此電路中A3為斬波穩(wěn)零放大器，其放大倍數(shù)Av3=5，零點(diǎn)漂移幾乎為零。同時(shí)當(dāng)信號(hào)不正常時(shí)，比如流量計(jì)在空管狀態(tài)時(shí)，信號(hào)*不正常，這時(shí)可通過(guò)接地保護(hù)運(yùn)放和A/D不至于因嚴(yán)重超量程而損壞。

該放大電路的現(xiàn)場(chǎng)使用指標(biāo)是：輸入電阻ri＞lGΩ，CMRR＞80dB，總放大倍數(shù)Ar=5000。電路自身阻尼時(shí)間常數(shù)r=0.8s，全量程的示值誤差為0.5％，滿量程誤差為0.2％，穩(wěn)定性為示值得±1%。該電路與單片機(jī)結(jié)合后，其全量程的示值誤差小于0.5%，滿量程誤差小于0.2%。

關(guān)于運(yùn)算放大器的選擇和電路結(jié)構(gòu)的選擇是按現(xiàn)場(chǎng)使用指標(biāo)設(shè)計(jì)的。*一級(jí)放大電路的輸入阻抗rL＞1GΩ，由于*一級(jí)放大電路的輸入端直接與測(cè)量電*相聯(lián)，而電*在導(dǎo)電液體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，兩電*間就已經(jīng)有電動(dòng)勢(shì)存在。這個(gè)電動(dòng)勢(shì)是由液體中的各種帶電離子和外界電磁場(chǎng)對(duì)液體及管壁的干擾而產(chǎn)生的。由于這個(gè)電動(dòng)勢(shì)變化無(wú)常，時(shí)大時(shí)小，因此如果*一級(jí)輸入不用隔直電容的話，電*兩端這個(gè)變化無(wú)常的電動(dòng)勢(shì)就會(huì)直接被放大。為了不讓*一級(jí)的輸出進(jìn)入飽和、截止兩個(gè)區(qū)域，就必須使放大倍數(shù)稍小一些。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)量電*間的電動(dòng)勢(shì)EI＜0.4V。因此選取*一級(jí)放大倍數(shù)AV1=20，運(yùn)放電源電壓為±12V。當(dāng)EI=0.4V時(shí)，*一級(jí)輸出直流電壓不超過(guò)±8V。仍然在正常工作區(qū)間，*一級(jí)輸出的交流脈沖信號(hào)幅度*大為±20mV。運(yùn)放選用TI公司生產(chǎn)的TLE2064，其輸入電流為4PA，可以保證ri＞lGΩ的要求。

*一級(jí)與*二級(jí)之間的耦臺(tái)電容數(shù)值決定方波脈沖能否不失真地傳遞下去。*二級(jí)差動(dòng)放大電路的輸入電阻是兩個(gè)100kΩ電阻。因此耦合電容若要使寬度為40ms的方波脈沖不失真地傳遞下去，阻容的時(shí)間常數(shù)應(yīng)大于320ms，即為寬度的八倍。在此選取4.7μf無(wú)*性電容，使方波傳輸失真小于0.05％。*二級(jí)應(yīng)選零點(diǎn)漂移小的運(yùn)放，因?yàn)樗c后級(jí)是直接耦合的，選取任何斬波穩(wěn)零運(yùn)放都可以勝任。*三級(jí)運(yùn)放選取的原則是輸入阻抗要在10MΩ以上即可，零點(diǎn)漂移也要小一些。因這一級(jí)放大倍數(shù)較小，只有十幾倍。所以對(duì)零點(diǎn)漂移的要求不是太高。由于所采用的電路形式均為典型電路，因此不再詳述原理。

3、結(jié)束語(yǔ)

上述電路的設(shè)計(jì)可以達(dá)到電池供電電磁流量計(jì)對(duì)信號(hào)調(diào)理的苛刻要求。在批量生產(chǎn)中能夠達(dá)到的外部指標(biāo)是：當(dāng)流速v在0.25～8m/s范圍內(nèi)，全量程的示值誤差小于0.5％，滿量程誤差小于0.2％。

穩(wěn)定性在阻尼時(shí)間5s，v＞lm/s時(shí)可達(dá)示值的±0.5％，在v＜lm/s時(shí)可達(dá)示值的±1.0％。共模抑制比CMRR＞80dB，輸入阻抗ri＞2GΩ。放大電路輸出電壓中交流分量小于2mV。

此電路經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，證明性能可以滿足使用要求。各級(jí)元件的選擇符合設(shè)計(jì)要求。