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電池供電電磁流量計自行設計的一種新型放大電路介紹

發布時間:2020-12-22 ??點擊次數:

摘要:介紹電池供電電磁流量計測量放大電路借助于單片機的功能,自行設計的一種新型放大電路。它是高精度電池供電電磁流量計的基礎部分,也是最關鍵的部分。放大電路自身的精度優于0.2%。在現場應用的溫度范圍可達-25~+80℃。在干擾信號幅度大于有用信號幅度10倍時,仍能保持0.2%精度。
1、問題的提出
在精密測量系統中,如果待測信號為幾十微伏至1mV左右的交流信號,且信號的頻率與50Hz工頻相近時,放大電路的設計難度會很大。原因在于如果要用濾波電路濾除50Hz工頻干擾,則有用信號也會被濾除。而要放大幾十微伏的小信號,放大器的放大倍數通常都在5000~10000倍范圍內,所以工頻干擾信號也被不加抑制地放大了,并且要比有用信號的幅度大得多。同時被放大的還有一些不規則的交流干擾信號。而這些干擾信號互相迭加起來的幅值要比有用的信號大十幾倍到二十幾倍。常規的數據采集電路中使用雙積分式A/D轉換器采集數據,然后進入單片機,再用數字濾波算法對數據進行處理。用雙積分A/D轉換器的優點是眾所周知的,它可以濾除50Hz工頻干擾,條件是采樣時間應嚴格為20ms的整數倍。而工頻干擾也應是嚴格的50Hz正弦交流信號。但現場的干擾信號是十分復雜的,以上這兩個條件都不一定能嚴格滿足,特別是當干擾波形中含有其它頻率的信號時,雙積分A/D轉換器對交流干擾的抑制作用就會下降。當干擾信號幅度遠遠大于有用信號時,雙積分A/D轉換器的抗干擾效果也會明顯變差。
在采集程序中,用軟件濾波的方式雖然可以提高濾波效果,但濾波時間較長,這是因為雙積分A/D轉換器采集速度慢,而濾波程序通常要十幾個數據到幾十個數據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合的辦法解決濾波問題。
2、設計思想
電池供電電磁流量計是需要激磁的,目的是產生與導電液體流速成正比的電信號。同時激磁必須是雙向的,為的是消除電極兩端因單向激磁產生極化現象。被測信號的波形如圖1所示。
信號是以對稱方波脈沖的形式出現的。脈沖的寬度T為40ms,一個周期為160ms,T選擇的太大會給阻容耦合帶來困難。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。當液體流速v=0.3m/s時,脈沖幅度只有60μV。此時的量程下限為v=0.05m/s,對應的脈沖幅度約為l0μV,放大器的放大倍數選為5000。
從示波器上可以觀察到干擾信號的幅度大約為0.5V,而有用的脈沖信號的下限值為10μV×5000=50mV,如不仔細觀察是分辨不出有用信號的。為了將方波脈沖保留而將工頻干擾濾除,作者設計出這樣一種電路,可以將有用信號從干擾中選出來。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采用模擬開關CD4052。這是一個雙路四通道的模擬開關。電路中的兩個開關是同步的。R是濾波電阻,C1,C2是兩只容量相同的濾波電容。
輸入信號經過Al,A2,A3所組成的交流放大器放大后在V01輸出一個方波信號。假定方波信號為正時開關接通“1”通道。此時由于A5運放為高阻輸入運放,因此正的方波信號通過K2保持在電容C2上。而此時迭加在方波信號上的交流干擾信號則被R和C2組成的濾波器濾掉。同理,當V01的信號波形為負時,通道“2”接通,K2的“2”通道懸空,C2上的電壓保持不變。此時負向方渡通過Kl的“2”通道與電容C1接通,負向方波被保持在C1上,而交流干擾信號被RC1濾掉。由此可見,正、負兩個方向的方波分別被保持在兩個電容上,其電壓極性相反,幅度為方波信號的峰峰值。只要濾波時間常數選取值t>160ms,即七倍于工頻周期,50Hz的交流信號在電容上幾乎為零。用示波器是觀察不到的。
應該指出的是RC濾波對方波信號也起延緩作用,但經過七個周期的方波之后,電容上的電壓與方波的實際峰值誤差只有0.02%。電容上的波形與V01的波形如圖3所示。
由圖3可知,方波信號經過一個斷續的過渡過程之后達到最大幅值。電路中實際選擇R=10kΩ,C1=C2=22μf,濾波時間常數τ=220ms,是工頻周期的ll倍。萬用表交流檔測出的交流電壓只有0.2mV,電容上的電壓信號是一個相當于倍壓峰值整流后的直流信號,通過后面的直流放大轉換器將差動電壓△Ve放大并轉換為單極性直流信號,然后送給A/D轉換器,這時的A/D轉換器可以選擇任何類型的芯片。
該放大電路還有一個優點,即共模抑制比CMRR非常高。原因是當共模干擾信號產生時,會將V01的輸出波形作上下平移,但由于正負波形的峰峰值未改變,盡管電容上的電壓會隨著改變,但其差值不會改變,即△Vc=Vc1-Vc2不隨共模電壓變化。其CMRR>90dB,因此這個放大電路的抗共模干擾能力是非常強的。
由于CD4052的第“0”通道接地,因此可以校正A4,A5和A/D產生的零點漂移,但其前提是的零點漂移可以忽略。此電路中A3為斬波穩零放大器,其放大倍數Av3=5,零點漂移幾乎為零。同時當信號不正常時,比如流量計在空管狀態時,信號極不正常,這時可通過接地保護運放和A/D不至于因嚴重超量程而損壞。
該放大電路的現場使用指標是:輸入電阻ri>lGΩ,CMRR>80dB,總放大倍數Ar=5000。電路自身阻尼時間常數r=0.8s,全量程的示值誤差為0.5%,滿量程誤差為0.2%,穩定性為示值得±1%。該電路與單片機結合后,其全量程的示值誤差小于0.5%,滿量程誤差小于0.2%。
關于運算放大器的選擇和電路結構的選擇是按現場使用指標設計的。第一級放大電路的輸入阻抗rL>1GΩ,由于第一級放大電路的輸入端直接與測量電極相聯,而電極在導電液體處于靜止狀態時,兩電極間就已經有電動勢存在。這個電動勢是由液體中的各種帶電離子和外界電磁場對液體及管壁的干擾而產生的。由于這個電動勢變化無常,時大時小,因此如果第一級輸入不用隔直電容的話,電極兩端這個變化無常的電動勢就會直接被放大。為了不讓第一級的輸出進入飽和、截止兩個區域,就必須使放大倍數稍小一些。根據現場測試,測量電極間的電動勢EI<0.4V。因此選取第一級放大倍數AV1=20,運放電源電壓為±12V。當EI=0.4V時,第一級輸出直流電壓不超過±8V。仍然在正常工作區間,第一級輸出的交流脈沖信號幅度最大為±20mV。運放選用TI公司生產的TLE2064,其輸入電流為4PA,可以保證ri>lGΩ的要求。
第一級與第二級之間的耦臺電容數值決定方波脈沖能否不失真地傳遞下去。第二級差動放大電路的輸入電阻是兩個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,阻容的時間常數應大于320ms,即為寬度的八倍。在此選取4.7μf無極性電容,使方波傳輸失真小于0.05%。第二級應選零點漂移小的運放,因為它與后級是直接耦合的,選取任何斬波穩零運放都可以勝任。第三級運放選取的原則是輸入阻抗要在10MΩ以上即可,零點漂移也要小一些。因這一級放大倍數較小,只有十幾倍。所以對零點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、結束語
上述電路的設計可以達到電池供電電磁流量計對信號調理的苛刻要求。在批量生產中能夠達到的外部指標是:當流速v在0.25~8m/s范圍內,全量程的示值誤差小于0.5%,滿量程誤差小于0.2%。
穩定性在阻尼時間5s,v>lm/s時可達示值的±0.5%,在v<lm/s時可達示值的±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。
此電路經過長期現場運行,證明性能可以滿足使用要求。各級元件的選擇符合設計要求。

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