摘要:一(yī)種電磁(ci)流量轉(zhuan)換器 信(xin)号處理(lǐ)方案使(shi)用24比特(te)低噪聲(shēng)模數轉(zhuǎn)換器，使(shǐ)得模✍️拟(ni)🔱信号處(chu)理電路(lù)被簡化(hua)爲僅一(yi)級直流(liu)耦合儀(yí)表放大(da)器🐅。該方(fāng)法能夠(gou)顯著改(gǎi)進業界(jiè)常用的(de)交流信(xin)号耦🔞合(he)電路難(nán)以克服(fu)的共模(mó)抑制比(bi)損失,在(zai)具有信(xin)号輸人(ren)阻抗的(de)同時可(ke)以保持(chí)足夠低(di)的電路(lu)♈噪聲，改(gai)善最⛱️小(xiǎo)流速分(fen)辨率。電(dian)路能夠(gou)接受:傳(chuan)感器電(diàn)極之間(jiān)450mV的直🔴流(liú)差模電(diàn)壓，有極(jí)寬的輸(shū)人動态(tài)範圍和(hé)極佳的(de)線性。原(yuan)理樣機(ji)通過水(shui)🥵流标定(dìng)試驗在(zai)0.5~5 m/s流速範(fàn)圍内達(da)到±0.2%讀數(shù)正确率(lǜ)。
0引言
　　電(diàn)磁流量(liàng)計 因其(qi)口徑範(fàn)圍寬，量(liang)程大，精(jīng)度高，無(wú)壓力損(sun)失，可靠(kào)性高等(deng)👨‍❤️‍👨優❄️點，在(zài)工業領(ling)域得到(dao)廣泛應(ying)用”。電磁(ci)流量🌈計(jì)的🥰工作(zuo)原理是(shi)法拉第(dì)🌈電磁感(gǎn)應定律(lǜ)。導電流(liu)體流過(guò)傳感器(qi)工作磁(cí)場時，在(zài)測量管(guan)壁與流(liu)動方向(xiang)和磁場(chǎng)方向相(xiang)互垂直(zhi)的一對(dui)電極間(jian)，産生與(yǔ)流速成(cheng)比例的(de)電動勢(shì)。電動勢(shì)的大小(xiǎo)可表示(shi)爲E =kBDʋ,式中(zhōng)，E爲🔆感應(yīng)信号電(diàn)勢; k爲常(cháng)數; B爲磁(ci)感應強(qiáng)度; D爲測(cè)量管内(nèi)徑;ʋ爲測(cè)量管内(nei)電極斷(duan)面♍軸線(xiàn)方向💋平(píng)均流速(su)。電磁流(liú)量計由(you)電磁流(liu)量傳感(gǎn)器和電(dian)磁流量(liàng)🌈轉換器(qi)組成。電(dian)磁流量(liàng)傳感器(qì)的輸出(chu)是📱疊加(jia)在共模(mo)信号上(shang)的極微(wei)弱的有(you)用🈲信号(hao)，通常是(shì)微伏到(dào)毫伏幅(fu)值信🔴号(hao)在幾百(bǎi)毫伏到(dào)一、兩伏(fú)的共模(mó)信号之(zhī)上。傳感(gǎn)器内阻(zu)可能從(cóng)十幾歐(ōu)姆到幾(ji)十兆🈲歐(ou)姆凹。從(cong)而要求(qiú)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼轉換器(qì)的信号(hao)處理電(diàn)路具有(yǒu)高共模(mo)抑制比(bǐ)，低噪聲(sheng)，高輸人(ren)阻抗👈的(de)特性。目(mu)前業界(jiè)常用工(gong)頻偶數(shù)分之-一(yī)倍的低(di)頻方波(bo)勵磁的(de)傳感器(qì)激勵方(fāng)式"，要求(qiú)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻電磁流(liú)量轉換(huàn)器能夠(gou)處理傳(chuan)感器輸(shū)出的脈(mò)動交流(liu)信号。交(jiāo)流信号(hào)耦合是(shi)電磁流(liú)量轉換(huan)器信号(hao)放💚大電(diàn)路最常(chang)用的信(xìn)号耦合(he)方式。
1常(cháng)見的信(xìn)号放大(dà)電路設(she)計及其(qi)優缺點(dian)
　　現代工(gong)業電磁(cí)流量計(ji)從20世紀(jì)50年代産(chan)品問世(shì)以來随(sui)着電💞子(zǐ)技術和(he)計算機(jī)技術的(de)發展逐(zhu)漸成熟(shu)完💋善和(hé)智能化(huà)，智🔱能化(huà)的重👨‍❤️‍👨要(yào)标志是(shi)微處理(lǐ)器的使(shi)用。電磁(cí)流量傳(chuan)感器輸(shū)出的高(gao)💛内阻、高(gāo)共模且(qie)微弱🏃‍♀️的(de)有用信(xìn)号不能(neng)被微處(chù)理器直(zhí)接接受(shòu),需要模(mó)數轉換(huan)器首先(xian)♍對傳感(gan)器輸出(chū)的模拟(nǐ)信😘号進(jin)行數字(zi)🌈化。直到(dào)21世紀初(chu)🈲之前工(gong)業用途(tu)的分辨(biàn)率高、低(di)🎯噪聲模(mó)數轉換(huan)器仍是(shì)稀少和(hé)昂貴的(de)商🔞品，所(suo)以傳感(gan)器信💃🏻号(hao)必需被(bèi)放大數(shu)百至上(shang)千倍後(hou)再🔆數字(zi)化，從而(er)可以使(shi)用成本(ben)較低同(tóng)時分辨(biàn)率也較(jiao)低的模(mó)數轉換(huan)器。從20世(shi)紀的工(gong)業電磁(ci)流量計(jì)産品進(jìn)化來的(de)、目前仍(réng)然很常(cháng)見的信(xìn)号處理(li)電路通(tōng)常包括(kuò)前置放(fàng)☁️大，後級(jí)放大，帶(dài)通濾波(bo),采樣保(bao)🐪持,模數(shù)轉換等(děng)。如圖1所(suo)示:微伏(fu)💛級的信(xìn)号被前(qian)置放大(dà)器放大(dà)約十倍(bèi)後交流(liú)耦合至(zhi)後📱級;接(jie)🏃🏻‍♂️着使用(yòng)帶通濾(lǜ)波器把(bǎ)信号進(jìn)一步放(fang)大幾十(shi)倍近伏(fu)級。被放(fàng)大近伏(fú)級的信(xin)号經過(guo)微🌈處理(li)器😘控制(zhi)的采樣(yang)保持電(diàn)路濾除(chu)尖峰，變(bian)成緩慢(màn)的直流(liu)信号送(song)入模數(shu)轉換器(qi)。該方法(fa)對模數(shu)轉換器(qi)的性能(néng)要求不(bu)高，通常(cháng)14~16比特的(de)分辨率(lü)和幾千(qian)赫茲的(de)輸出數(shù)據率即(jí)可。它的(de)優點是(shì)🐅成熟穩(wěn)定🌈和被(bèi)廣泛驗(yan)證，缺點(diǎn)是放大(dà)電路級(ji)數較多(duo)、增益倍(bèi)😄數較高(gao)造成電(dian)路結構(gòu)複雜，容(rong)易振蕩(dang)，線性⚽損(sun)失，過長(zhǎng)的低通(tong)濾波時(shi)間常數(shù)會影響(xiang)對流量(liàng)階躍變(bian)化做出(chū)迅速響(xiǎng)應，另外(wài)在物料(liào)成本、功(gōng)耗🔅、電路(lu)尺寸、可(ke)靠性等(děng)方🔞面也(ye)有劣勢(shì)。
 
　　電磁流(liu)量傳感(gan)器的響(xiang)應通常(cháng)爲150 μV/( m/s)到200μV/(m/s)，因(yin)爲調制(zhi)勵磁🈲電(dian)🛀🏻流的換(huàn)向，傳感(gan)器的輸(shu)出信号(hao)幅值加(jia)倍。以150 μV/( m/s)(300 μV峰(fēng)峰值)響(xiǎng)應爲💰例(lì)，對0.3~15 m/s流速(su)的量㊙️程(chéng)範圍，傳(chuan)感器輸(shu)出信号(hào)幅值在(zài)90 μV峰峰值(zhi)到4.5 mV峰峰(fēng)♈值之間(jiān)⛷️。保證流(liú)速信号(hào)被模數(shu)轉換器(qì)正确分(fèn)辨🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的最(zuì)低要求(qiú)是出現(xian)在模數(shu)轉換器(qi)輸人端(duān)的傳感(gan)器信㊙️号(hào)幅值不(bu)得☂️大于(yu)模數轉(zhuǎn)💋換器噪(zào)聲的一(yī)☔半。模數(shu)轉換器(qi)無噪聲(shēng)分辨率(lǜ)的計算(suàn)公式如(ru)式(1)所示(shi)。瞬時流(liu)速對應(ying)的傳感(gan)器信号(hào)幅值可(ke)被當作(zuò)對模數(shù)㊙️轉換器(qi)噪聲的(de)最低要(yào)求。由表(biao)🔞1可見前(qián)級放大(dà)電路增(zeng)益越低(dī)‼️對模數(shu)轉換器(qì)的無噪(zào)聲分辨(biàn)率指标(biao)的要求(qiu)越高。這(zhè)是20世紀(ji)⚽後期數(shù)十🏃‍♀️年裏(lǐ)在缺少(shǎo)成本可(kě)負擔、高(gao)分辨率(lǜ)的模數(shù)轉換器(qì)的條件(jiàn)下， 工業(yè)電磁流(liú)量計 普(pu)遍使用(yòng)幾百至(zhi)，上千倍(bei)增益的(de)多級放(fang)大電路(lu)的重要(yao)原因。
 
　　電(diàn)子進步(bù)使得在(zài)本世紀(ji)初開始(shi)出現越(yuè)來越多(duo)性價🙇‍♀️比(bǐ)更好的(de)低噪聲(shēng)24比特模(mó)數轉換(huàn)器産品(pin)。随之出(chu)現的數(shù)字😘過采(cai)樣交流(liu)信号耦(ǒu)合放大(da)是一種(zhǒng)改進的(de)電路結(jié)構。如圖(tú)2所示傳(chuán)感器㊙️電(diàn)極輸☂️出(chu)信号使(shi)用電容(rong)耦合，在(zai)前置放(fang)🏃大級采(cǎi)用自舉(ju)電路提(ti)高輸人(rén)阻抗，真(zhēn)差分輸(shu)出到模(mó)數轉換(huan)器。省略(luè)模拟帶(dài)通放大(dà)、采樣保(bao)持😍等電(dian)路。較高(gāo)速的模(mo)數轉換(huàn)器對🈲前(qian)置放大(dà)器的輸(shu)出做過(guò)采樣。微(wei)處理器(qì)在數字(zì)域内重(zhong)建流速(sù)信号波(bō)形、同步(bu)解調交(jiao)流信号(hao)🧡、濾除尖(jiān)峰和噪(zao)聲，計算(suàn)流速信(xin)号。該電(dian)路與前(qian)一-種電(dian)路相比(bǐ)的優點(dian)是:更少(shǎo)的元件(jian)，更低的(de)價格，真(zhēn)差分信(xìn)号的抗(kang)幹擾，接(jiē)受較寬(kuan)的輸人(ren)共模電(dian)壓範圍(wéi)。
 
　　電磁流(liu)量計的(de)信号放(fang)大電路(lù)需要很(hěn)高輸人(ren)阻抗以(yi)防止傳(chuan)感器輸(shu)出過載(zai)帶來的(de)信号幅(fu)度減小(xiao)從而導(dǎo)緻測量(liàng)精度和(he)重複性(xing)的損失(shi)。如圖3所(suǒ)示電磁(cí)👄流量計(jì)常用自(zi)舉放大(da)器在信(xìn)号輸人(rén)端串聯(lián)耦合電(diàn)容同時(shí)又具有(yǒu)高😘的輸(shū)人阻🤟抗(kàng)巴。圖3的(de)👄放大電(diàn)路的輸(shū)入阻抗(kàng)Rn可用式(shi)(2)計算門(men)。放大電(dian)路的輸(shū)人阻抗(kàng)❤️與外部(bu)電阻、電(dian)容的數(shù)值和勵(lì)磁頻率(lü)高低有(you)關甲。以(yǐ)最常用(yong)的1/8工頻(pin)勵磁爲(wèi)例如表(biǎo)2所示，需(xu)要使用(yong)十兆⛷️歐(ōu)姆電阻(zu)才能達(dá)👣到上千(qian)兆的輸(shū)人阻抗(kàng)。
 
　　但是自(zi)舉放大(da)器輸人(rén)級結構(gou)也存在(zai)缺點:交(jiāo)流耦❄️合(hé)電容容(róng)‼️值🍉必需(xū)選擇至(zhì)少在微(wei)法以上(shàng),容值且(qie)匹配的(de)電容網(wǎng)絡稀少(shao)而貴。公(gong)差通常(chang)是10%~20%很難(nan)達到1%的(de)🌈微法級(ji)的分立(li)🙇‍♀️電容器(qi)件會顯(xiǎn)著降低(dī)電路的(de)共模抑(yi)制比和(he)引入交(jiao)流信号(hao)的相位(wei)偏差。爲(wèi)達到109Ω直(zhí)流輸人(rén)阻抗,自(zi)💋舉放大(da)器電路(lu)需要用(yong)到10MΩ級的(de)外部電(dian)✔️阻。這些(xie)電阻的(de)不匹配(pèi)會帶來(lái)共模抑(yì)制比的(de)顯著下(xià)降,比如(ru)0.1%電阻公(gong)差能達(dá)到66分貝(bei)共模抑(yì)制比，1%電(diàn)阻🏃🏻公差(cha)隻能達(dá)到34分貝(bèi)🧡共模抑(yi)制比。電(dian)磁📱流量(liang)計放大(dà)電路要(yào)求大于(yu)100分貝的(de)共模抑(yì)制比需(xū)要四個(gè)采用🥰厚(hou)/薄膜技(jì)術具有(you)0.01%或更佳(jia)的絕對(duì)值及溫(wēn)⛷️度系數(shù)匹⁉️配的(de)單襯底(di)🌍高阻值(zhí)電阻網(wang)絡4價格(gé)十分昂(ang)貴且難(nán)得。
 
2本文(wen)設計的(de)直流信(xìn) 号放大(da)電路
　　本(běn)文電磁(ci)流量轉(zhuǎn)換器信(xin)号處理(lǐ)電路如(ru)圖4所示(shì)。電💋磁流(liu)量傳🔅感(gǎn)器的一(yī)對電極(jí)輸出經(jīng)過射頻(pín)濾波阻(zǔ)容網絡(luo)直流耦(ǒu)合至🈲±5V供(gòng)電的AD8220結(jié)型場效(xiào)應管輸(shū)入儀表(biao)放大器(qì)輸入端(duān)。AD8220的增🛀益(yì)設置爲(wèi)5倍,參考(kǎo)電平管(guan)腳🌈連接(jie)到AD7172-2模數(shu)轉換器(qi)的2.5 V内部(bu)基準源(yuán)輸出,把(ba)儀放輸(shū)出信号(hào)的電平(píng)擡高至(zhì)正🚶極性(xing)。被AD8220調理(li)後的傳(chuán)感器🏃🏻信(xin)号直流(liú)耦合至(zhi)+5 V供電的(de)AD7172-2第0号輸(shū)人通道(dao)，AD7172-2的2.5V内部(bù)基準源(yuán)輸出✔️接(jiē)第1号🤩輸(shū)人通道(dao),兩個通(tong)道組成(cheng)0~5 V僞差分(fen)輸人。AD7172-2 的(de)輸出數(shu)據率設(shè)爲31 250 Hz ,數字(zì)量化後(hou)的樣點(dian)送入ADSP-BF504F數(shù)字信号(hao)處理器(qi)進行同(tóng)步解調(diao)數字濾(lü)波和流(liú)量計算(suàn)、線性化(hua)補償、電(diàn)流或脈(mò)沖輸出(chu)等處理(li)。該方案(an)試圖吸(xī)取數字(zì)過采樣(yang)交流信(xìn)号耦合(he)的電磁(cí)流量計(ji)信号放(fang)大電路(lù)優點的(de)同時避(bì)免其共(gong)模抑制(zhi)比損失(shī)的缺✏️點(dian)。通過使(shǐ)用比傳(chuán)統方🐪案(àn)低一到(dao)二百倍(bèi)的模拟(ni)增益并(bìng)結合軟(ruǎn)件的方(fāng)法解決(jue)直流耦(ou)合帶🆚來(lai)的信号(hao)飽和問(wen)題。因爲(wei)放大器(qi)增益隻(zhī)有5倍, ±5 V供(gòng)電💯的AD8220的(de)軌到軌(guǐ)電壓輸(shu)出範🔞圍(wei)的上限(xian)是4.8V,單5V供(gong)電且集(jí)成真軌(guǐ)到軌🌈輸(shū)人緩沖(chong)器的AD7172-2的(de)輸人電(diàn)壓範💰圍(wei)是0~5 V。所以(yǐ)放大器(qì)輸人動(dong)态🔞範圍(wei)等于(4.8-2.5) +5=0.46(V),折(shé)合150 μV/(m/s)響應(yīng)的傳感(gan)器在3 067 m/s流(liu)速的輸(shū)出(這僅(jǐn)是理論(lùn)值,實際(ji)流速不(bú)可能🐕這(zhe)麽高)。這(zhe)表明該(gai)電路設(she)計能夠(gou)處理極(ji)寬廣的(de)流速範(fan)圍。該電(diàn)路的非(fei)線性誤(wu)差由♍儀(yí)表放大(dà)器🍓和模(mo)數🔴轉💛換(huàn)器的非(fei)線性低(dī)指标共(gòng)同決定(ding)。AD8220和AD7172-2的數(shù)據手冊(cè)标稱其(qi)非線性(xing)誤差典(dian)型值分(fèn)别是5PPM和(he)±2PMM，所以該(gai)電路設(shè)計具有(yǒu)線性佳(jia)。
 
　　該方案(àn)有三個(gè)要點。第(dì)一,使用(yong)AD7172-2 24比特31250HzΣ-△型(xing)高分辨(bian)率低👅噪(zào)聲的模(mó)數轉換(huàn)器。AD7172-2在輸(shu)人緩沖(chong)使能,20 Hz輸(shū)出數據(jù)率,5V外部(bu)🌈基準電(diàn)壓源，片(piàn)🌈内SINC5+SINC1數字(zi)濾波器(qi)條件下(xià)的噪聲(shēng)性能是(shì)1.8 μV峰峰值(zhi)，無噪聲(sheng)分辨率(lü)指标22.4比(bi)特迫。AD7172-2 相(xiang)比其他(ta)性能最(zui)接近的(de)同類模(mó)數轉👌換(huan)器産品(pǐn)在功耗(hào)和噪聲(shēng)指标上(shàng)都降低(dī)超過📧百(bǎi)分之五(wu)十。本文(wen)設計中(zhong)🔞使用AD7172-2内(nei)部2.5 V基準(zhǔn)🏃電壓源(yuan),其初始(shi)精度±0.12%，溫(wēn)漂僅±2PPM/C,模(mo)數轉換(huàn)器噪聲(shēng)進一步(bu)下降爲(wèi)♍使用外(wai)部5伏基(jī)準源時(shi)的♋一😘-半(ban)即0.9 μV峰峰(fēng)值。AD7172-2 集成(cheng)的斬波(bō)、真軌到(dao)軌🔞緩🏃🏻‍♂️沖(chong)器具有(yǒu)高輸人(rén)阻抗，極(jí)低失調(diao)誤差漂(piāo)移和1/F噪(zao)聲，使它(tā)能夠接(jie)人任意(yi)的前級(ji)🆚放大器(qi)🔞而無需(xu)擔憂其(qi)驅動能(néng)力🏃🏻。模數(shù)轉換器(qì)的超低(dī)噪聲使(shi)得采用(yòng)更低的(de)前級放(fang)大器增(zeng)益成爲(wei)可能。把(bǎ)放❌大器(qi)增益設(she)置成5倍(bei),模數轉(zhuan)換器噪(zao)聲峰峰(fēng)值折算(suan)到放大(dà)器輸人(ren)端爲0.18μV仍(réng)顯著小(xiǎo)于前級(ji)放大器(qi)的1/F噪聲(shēng)0.94 μV,約等于(yú)分辨1.2 mm/s的(de)瞬時流(liú)☎️速。雖然(ran)在絕大(dà)多數情(qing)況下AD7172-2對(duì)㊙️電磁流(liu)量計已(yi)經足夠(gou)好,同系(xì)列的AD7175-2在(zai)相同配(pèi)置下可(ke)提供低(di)💋至0.75μV峰峰(feng)值噪聲(shēng)(使用外(wai)部5 V基準(zhǔn)電壓源(yuán))和最高(gāo)可達250 000 Hz的(de)采樣速(su)率。同系(xì)列的AD7173-8提(tí)供類似(sì)的性能(neng)和多達(da)八個真(zhēn)差分輸(shū)入通道(dao)👈可以擴(kuò)展溫度(dù)或🔅壓力(lì)傳感器(qi)測量。
第(di)二，在電(diàn)磁流量(liàng)傳感器(qi)輸出到(dào)模數轉(zhuan)換器之(zhi)間總共(gòng)隻❤️用⁉️一(yi)級前置(zhi)放大器(qi),即高輸(shū)入阻抗(kang)、高共模(mo)抑制比(bǐ)、低噪聲(shēng)💋的集成(cheng)儀表放(fàng)大器AD8220且(qie)放大倍(bei)數設置(zhì)爲5倍。因(yīn)爲使用(yong)片内☂️集(ji)成的激(ji)光微❗調(diào)技術的(de)高⁉️度匹(pǐ)配電阻(zǔ)，AD8220典型值(zhí)高達10分(fen)貝衛的(de)共模抑(yi)制比對(duì)電磁流(liu)量傳感(gǎn)器共模(mó)信号有(you)很好的(de)抑制。與(yu)自舉👄故(gu)大器不(bu)同的是(shi),AD8220采用經(jīng)典的三(sān)運放拓(tuò)撲和場(chang)效🐪應管(guan)輸人的(de)電流反(fǎn)饋放大(dà)器結構(gòu)具有1013?Ω輸(shū)人阻抗(kàng)和12-16?A輸人(ren)漏電流(liu)凹! ,完🔅全(quán)可以滿(man)足包括(kuo)高内阻(zu)的電容(róng)電極類(lei)型在内(nèi)的絕大(dà)部分電(diàn)磁流量(liàng)傳感器(qi)。由于勵(lì)磁頻率(lǜ)主要是(shì)低頻🌈并(bing)且流量(liang)信号通(tōng)常是緩(huǎn)變的,所(suǒ)以信号(hào)處理電(dian)路在0- 10 Hz範(fàn)圍内的(de)噪聲是(shì)關鍵🤞參(cān)數。AD8220号稱(cheng)沒有0-10Hz1/F電(dian)流噪聲(sheng)凹,折算(suan)到其輸(shu)人端的(de)1/F電🏃🏻‍♂️壓噪(zào)聲成🥵爲(wei)主要部(bù)分。表3列(liè)出AD8220在🈲各(gè)種放🏃🏻‍♂️大(da)倍數下(xià)折算到(dao)輸人端(duān)的1/F電壓(yā)噪聲峰(feng)峰值。其(qi)中5倍放(fang)大的AD8220折(shé)算到輸(shū)人端的(de)噪聲峰(fēng)峰值是(shi)1.27 μV。通過式(shi)(3)可以估(gū)算出此(cǐ)時模數(shù)轉換器(qì)和儀表(biǎo)放大器(qi)折算到(dao)輸人端(duān)👄(傳感器(qì)的輸出(chu)端)的噪(zao)聲爲1.28μV,從(cong)而分辨(bian)150 μV/( m/'s)傳感器(qì)的8.6 mm/s瞬時(shi)流速或(huò)1 mm/s的累積(ji)流✨量。此(ci)處估算(suan)使🐉用🈲0.1~10Hz的(de)噪聲指(zhi)标,但根(gēn)據流速(su)緩慢變(biàn)化的特(tè)🛀性其實(shí)可以适(shì)用0.1-1 Hz的🍉噪(zao)聲指标(biao)，所以估(gu)算值偏(pian)保守,實(shi)際測試(shi)結果應(yīng)🏃🏻‍♂️該更好(hao)。可見AD8220的(de)1/F噪聲指(zhi)标是決(jué)定該電(dian)路測量(liang)流♊速的(de)最🈲低分(fèn)辨率的(de)主要因(yin)素。相比(bǐ)之下模(mo)數轉換(huan)器的噪(zào)聲是如(ru)此之低(di),如果不(bú)考慮共(gòng)模輸人(rén)範圈、共(gong)模抑制(zhì)比和高(gāo)輸人阻(zu)抗等限(xiàn)制.它甚(shèn)至可以(yi)無需前(qian)級放大(dà)器增益(yì)而直接(jiē)分辨傳(chuán)感器輸(shū)出信号(hao)。然而不(bu)幸的是(shi)儀表🐅放(fàng)大器1/F噪(zào)♊聲随着(zhe)放大倍(bei)數減小(xiao)而迅速(sù)增大,所(suǒ)以實🔞踐(jian)中不能(néng)💚把儀🔞表(biǎo)放大器(qì)的增益(yì)設置得(dé)過低。自(zì)舉放大(dà)器電路(lu)如果要(yào)達到🐕1013Ω輸(shū)人阻抗(kang)和100分貝(bèi)共模抑(yì)制比需(xu)要兩支(zhī)既昂貴(gui)又難得(de)☀️的0.01%匹配(pei)1 x 109Ω超電阻(zu)。
 
第三，直(zhi)流信号(hào)耦合的(de)缺點是(shi)沒有區(qū)分的放(fang)大包括(kuò)不需🚶要(yào)的直流(liú)差模電(diàn)壓在内(nei)的任何(he)差模信(xìn)号，存在(zài)着放❤️大(dà)器☎️輸出(chu)和/或模(mó)數轉換(huan)器輸入(rù)飽和而(ér)不能正(zheng)常工作(zuo)的風險(xiǎn)。電磁流(liu)量傳感(gǎn)器由于(yú)極化電(dian)壓、電極(ji)材料、表(biǎo)面磨損(sun)狀況、安(an)裝位置(zhì)的不理(li)想對稱(chēng)等因素(su)㊙️，即使在(zài)被測流(liu)體靜止(zhǐ)的條件(jian);下電極(jí)🚩之間很(hěn)難保🤩證(zhèng)理想等(deng)電位，有(you)可能出(chu)現幾十(shí)毫伏到(dao)幾百毫(hao)伏不等(deng)的差模(mo)電壓。作(zuo)者曾在(zài)實驗中(zhong)遇到兩(liǎng)個電極(ji)間出現(xian)💁約300mV的直(zhi)流差模(mó)電壓的(de)狀況，如(rú)果AD8220儀表(biǎo)放大器(qi)增益設(shè)爲10倍，則(zé)輸人信(xin)号被放(fàng)大和🧑🏽‍🤝‍🧑🏻電(dian)平搬移(yí)2.5 V後AD8220的理(lǐ)論輸出(chu)值爲5.5 V,但(dàn)是AD8220的供(gòng)電電壓(yā)爲⚽±5V,則造(zào)成它的(de)輸出信(xin)号飽和(he)。即使提(tí)高放大(dà)器的供(gong)電電壓(ya)可以避(bì)免其輸(shu)出飽和(hé)，模數轉(zhuǎn)換器的(de)0~5 V輸人範(fàn)圍也會(hui)被飽和(he)。本文設(shè)計中把(ba)😘儀表放(fàng)大器的(de)增益降(jiàng)低至5倍(bei)，則🏃🏻‍♂️此信(xin)号被AD8220放(fàng)大和平(píng)移後出(chu)現在其(qi)輸出端(duan)爲4 V仍在(zai)AD8220±4.8 V的輸出(chu)範圍和(he)✔️AD7172-2 的0~5 V輸人(ren)範圍内(nei)，所以電(dian)路可以(yǐ)正常工(gong)作。考慮(lǜ)0~15 m/s的流速(su)信号的(de)幅值該(gai)電路能(neng)夠處理(li)的電極(jí)間差😍模(mo)電壓可(kě)以達到(dào)(4.8 V-15 m/s x0.00015 V/(m/s))÷5=0.457 V。電極間(jiān)差模電(diàn)壓造成(cheng)的零點(diǎn)偏移可(ke)以通過(guo)周期性(xing)的軟件(jiàn)計算被(bei)扣除。進(jin)一步減(jian)小儀表(biǎo)放大器(qi)的增益(yì)💋可🥵擴大(dà)電路處(chù)理電極(ji)💋差模電(diàn)壓的範(fàn)圍但代(dai)價是儀(yi)㊙️表放大(dà)器噪🌈聲(shēng)迅速增(zeng)大。該電(dian)路噪聲(sheng)性能⭐的(de)瓶頸🈚在(zài)于儀表(biao)放大器(qì)而非模(mo)數轉換(huan)器。在滿(man)足最低(di)分辨率(lü)的前提(tí)條件下(xià)對本文(wen)設計的(de)直🌈流信(xìn)号耦合(hé)而言前(qian)🔴級放大(da)器增益(yi)越低越(yuè)好。
3實驗(yan)結果
　　試(shi)驗條件(jiàn):傳感器(qi)50mm口徑，電(diàn)極材料(liào)316L不鏽鋼(gāng)，傳感器(qì)系數♻️1.1089,常(chang)溫⛹🏻‍♀️常壓(yā)📱水，電子(zǐ)秤稱重(zhòng)法。進行(hang)系統零(ling)點和滿(mǎn)量程校(xiào)正，未做(zuo)🌐逐點非(fēi)線性校(xiào)正。表4說(shuō)明本文(wen)的方案(àn)在0.5 ~5m/s的🏃流(liú)速範圍(wei)内的🌈測(ce)量結果(guǒ)達到±0.2%的(de)示數誤(wù)差📐，重複(fú)性優于(yú)萬分之(zhī)四。
 
 
4結束(shu)語
　　本文(wén)介紹了(le)一種用(yong)于電磁(ci)流量計(ji)的數字(zi)過采樣(yàng)直流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼耦(ǒu)合的信(xìn)号處理(li)電路，配(pei)合最新(xin)24比特低(dī)噪聲模(mo)數轉換(huan)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻器能夠(gou)克服傳(chuan)統的交(jiāo)流信号(hào)耦合方(fāng)式的共(gòng)模抑制(zhi)比欠佳(jia)的不足(zú)，具有高(gao)輸入阻(zu)抗、低噪(zào)聲、寬輸(shu)人動态(tài)範圍、線(xian)性好等(deng)優點，直(zhi)流信号(hao)耦合帶(dai)來的信(xin)号飽和(hé)問題也(yě)得到了(le)較好的(de)解決。該(gai)方案使(shǐ)用50mm口徑(jìng)😄電磁流(liú)量傳感(gan)器通過(guò)水流标(biao)定試驗(yan)在0.5 ~5 m/s的流(liú)速範圍(wei)内基本(ben)誤㊙️差達(da)到±0.2%讀數(shù)，性能好(hao)、設計簡(jiǎn)潔，值得(de)廣大電(dian)磁流量(liang)計用戶(hu)做進一(yī)步評估(gū)。

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