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新聞中心 < 智能化電磁流量計(jì)前端信號(hào)電路設(shè)計(jì)
針對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的上述特點(diǎn)設(shè)計(jì)了高精度電磁流量計(jì)智能化放大電路， 其參考電路如圖所示。電路由以下幾部分組成： 采用高精度儀表放大器A1組成的前端放大器、運(yùn)放A2等組成的濾波回路、運(yùn)放A3等組成的可變?cè)鲆娣糯笃鳌⑦\(yùn)放A4等組成的采樣和保持電路以及24 位高精度的Σ - Δ A/D轉(zhuǎn)換器（該A/D 含在美國Analog 公司最新推出的A/D μC824 單片機(jī)中）。
1 前置放大電路
首先應(yīng)該說明：由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是交變信號(hào)，此交變信號(hào)是由勵(lì)磁信號(hào)感應(yīng)產(chǎn)生的。勵(lì)磁信號(hào)選用交變頻率50 Hz 的8 分頻(6.25 Hz)，即勵(lì)磁信號(hào)的周期為160 ms。電路采用三值方波勵(lì)磁形式，此形式能很好地消除電極兩端的極化效應(yīng)，勵(lì)磁波形如圖2 所示。
由此勵(lì)磁產(chǎn)生的信號(hào)也為與圖2類似的交變信號(hào)。但由于此信號(hào)內(nèi)阻為幾M Ω， 如果儀表要達(dá)到± 0.5 % 的整體精度，那么整個(gè)放大電路的精度必須<0.2 %， 而最前端的A1 放大回路的精度必須控制在0.1 % 以內(nèi)，因此，必須選用高達(dá)1000 M Ω以上輸入阻抗的運(yùn)算放大器。為此，我們選用了INA114 集成儀表運(yùn)放，具有± 40 V的輸入保護(hù)電壓， 輸入阻抗為10 GΩ， 外接元件少， 符合儀表小型化的要求， 同時(shí)通過外接的1 個(gè)精密電阻R3，就可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)， 計(jì)算公式為A = 1+ 50 k Ω /R3
由于電極對(duì)地的電動(dòng)勢(shì)各種干擾成分多，為保證前置放大器不處于飽和與截止?fàn)顟B(tài)，同時(shí)也盡量降低A1 運(yùn)放本身與后面電路帶來的噪聲，選用10倍左右的放大倍數(shù)，即R3 的值為4.7 k Ω或5.1 k Ω，保證第一級(jí)IN114 的輸出電壓<± 5 V。
圖1 中的R2、R3 電阻給IN114 提供偏置電流，其阻值為10 M Ω。
2 二階有源低通濾波器
圖1 中R4、R5、C1、C2 和A2 運(yùn)放構(gòu)成了二階壓控電壓源有源低通濾波器。這是一個(gè)經(jīng)典電路，由二階壓控電壓源濾波器的一般表達(dá)式，分析推導(dǎo)出放大倍數(shù)：AVF= 1
而傳遞函數(shù)為A(s)? ?n2/s2??n/Q?s??n2 （2）由此幅頻特性用歸一化后的幅值取對(duì)數(shù)表示，
可得出：
當(dāng)ω / ω n =1，Q=0.707 時(shí)， 20lg|A(j ω)|=-3 dB;
當(dāng)ω / ω n =10，Q=0.707 時(shí)，20lg|A(jω)|=-40 dB。
因此， 當(dāng)勵(lì)磁頻率為6.25 Hz 時(shí)， 取
Q = 0.707 （6）
ω n =2 π f = 2 π× 6.25 = 39.27 （7）
綜合式（3）、（4）、（6） 和（7），我們選用適當(dāng)?shù)闹担?/span>
R4=47 k Ω，R5=47 k Ω，C1=1 μ F，C2=0.33 μ F
這樣一來，此低通濾波電路在6.25 Hz的特征頻率下有很好的低通濾波效果。
3 可調(diào)增益放大電路
接下來的一級(jí)電路為高倍數(shù)放大電路，由圖1中的A3 放大器、R6、R7、R8、R9和口徑電阻網(wǎng)絡(luò)組成。由于 電磁流量計(jì) 的前置只有10 左右的放大倍數(shù)，因此這一級(jí)還需要根據(jù)不同的儀表口徑分別放大10~40倍，使 電磁流量計(jì) 的總放大倍數(shù)達(dá)到1000~4000。即使0.1~5 mV流量對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)通過放大后達(dá)到0.4~2.5 V，供后續(xù)的采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換器使用。簡(jiǎn)化后的放大電路如圖3 所示。該電路最大的優(yōu)點(diǎn)是：用低值電阻實(shí)現(xiàn)高放大倍數(shù)的比例運(yùn)算，R7、R8 和口徑電阻組成了T型網(wǎng)絡(luò)以代替反饋電阻Rf。這樣一來R7、R8和口徑電阻R 的阻值容易選擇，且可以控制阻值精度，從而控制儀表精度。圖3 電路的放大倍數(shù)通過三角形- 星形轉(zhuǎn)換最后得到：AVF= - (R7+R8+R7R8/R) / R6 （8）在實(shí)際電路中，我們?nèi)7=47 k Ω，R8=47 k Ω，R6=4.7 k Ω?？趶诫娮鑂 是一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)， 由單片機(jī)AD μ C824 控制CD4051 來選擇不同的電阻， 具體的值由實(shí)際標(biāo)定來確定。
4 采樣保持電路
為了將方波流量信號(hào)保留而將主要的工頻干擾消除，我們采取了這種采樣保持電路，從圖1中可以看出由R10、C4、C5 和CD4066 切換開關(guān)組成。作為一個(gè)積分器，同時(shí)也是一個(gè)濾波電路，當(dāng)選擇積分時(shí)間t1為干擾信號(hào)周期T2的整數(shù)倍，此時(shí)干擾信號(hào)可完全被平均掉。由于最有可能的串模干擾為工頻50 Hz干擾，即T2=20 ms，因此在這個(gè)電路中，我們采用R10=10 k Ω，C4=C5=22 μ F， 時(shí)間常數(shù)τ =220 m s， 為工頻信號(hào)周期的5 倍， 完全濾掉了工頻干擾。缺點(diǎn)是有一定的信號(hào)滯后。當(dāng)正的方波信號(hào)來時(shí)，接通上面的開關(guān)，正方波信號(hào)被保持在C4 上，而交流信號(hào)被R10、C4濾掉;同樣當(dāng)負(fù)的方波信號(hào)來時(shí)，接通下面的開關(guān)，負(fù)方波信號(hào)被保持在C5上，而交流信號(hào)被R10、C5濾掉。這樣一來，正、負(fù)兩個(gè)信號(hào)的方波幅值分別被保持在C4、C5 上，分別接入儀表放大器A4（IN114）的同相輸入端。由于該放大器具有10 GΩ的輸入阻抗， 提高了采樣保持電路的保持特性。為了可以測(cè)量管道的正向和反向流量，一般情況下是： 當(dāng)測(cè)量正向流量時(shí)，A4 放大器輸出的差動(dòng)電壓為正值； 當(dāng)測(cè)量反向流量時(shí)，A4 放大器輸出的差動(dòng)電壓為負(fù)值。為解決這個(gè)問題，在IN114的REF端接入一個(gè)+2.5 V的參考電壓，以達(dá)到正向流量放大后的電壓信號(hào)在2.5~5.0 V之間，零流量在2.5 V左右， 反向流量放大后的電壓信號(hào)在0~2.5 V之間， 輸入到后面AD μ C824 單片機(jī)內(nèi)置的24 位高精度的Σ - Δ A/D 轉(zhuǎn)換器。1.2.5 內(nèi)含高精度Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器的ADμ C824單片機(jī)通過前面一系列的信號(hào)放大、濾波和采樣保持電路處理，已經(jīng)得到了一個(gè)比較穩(wěn)定的 電磁流量計(jì) 信號(hào)。為得到高精度 電磁流量計(jì) ，還需要采用高精度A/D 轉(zhuǎn)換輸入到單片機(jī)中。為使 電磁流量計(jì) 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)小型化，我們采用了性能價(jià)格比很高的AD μ C824 單片機(jī)，ADμC824 是美國Analog 公司新推出的， 可以說是一個(gè)全集成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，內(nèi)部分為模擬和數(shù)字兩大部分。模擬部分集成了兩個(gè)高精度的Σ - Δ A/D轉(zhuǎn)換器，對(duì)輸入信號(hào)可以增益控制。當(dāng)信號(hào)弱時(shí)，可以通過切換量程，從20 mV~2.56 V共8個(gè)量程調(diào)節(jié)。對(duì)A/D輸入通道還可以配置數(shù)字濾波，十分方便，還有12位的DAC輸出等。其它數(shù)字部分集成了8 KB的Flash 程序區(qū)， 640 B 的EEPROM， 256 B 的RAM等， 是一個(gè)非常適用于 電磁流量計(jì) 的高性能單片機(jī)。在電路設(shè)計(jì)中， 我們充分利用其優(yōu)越的性能，對(duì)AD μ C824 采用模擬5 V和數(shù)字5 V兩組電源分別供電。這樣可以將 電磁流量計(jì) 前端運(yùn)放已經(jīng)處理好的信號(hào)直接輸入到A/D 的輸入端AIN1， 在內(nèi)部配置了50 Hz 數(shù)字濾波器，避免了常規(guī)設(shè)計(jì)中的模擬或數(shù)字的隔離環(huán)節(jié)。本部分A/D采樣的分辨率為24 位， 精度達(dá)到了1/10000 以上， 對(duì)提高整個(gè) 電磁流量計(jì) 的性能起了很大的作用。
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