流量计的信号调理电路图分析

接线图 2023年01月06日 19:09 286 admin

　　流量计概述

　　流量计是工业测量中重要的仪表之一，随着工业生产的发展，对流量测量的准确度和范围的要求越来越高，流量测量技术日新月异，而在众多的流量计中对于微小液体流量的测量还存在空白，该型流量计正是基于此目的研制开发的。该型高精度微流量传感器是基于转子流量计原理设计而成，而敏感元件感受转子位移信号，对信号进行滤波、放大等调理，输出信号幅度较大的电压信号，通过A/D转换进入CPU，经过计算、温度补偿得到流量值，数字化显示流量值，并通过标准RS485输出。通过样品实验证明了它具有高精度、高可靠性、响应时间短、低功耗、体积小、结构简单、智能化等特点。

　　信号调理电路设计

　　1 仪用放大电路

　　由激磁线圈产生的三值矩形波信号的频率为6．25Hz，则感应电动势也为同频率的交流信号，即被测信号。

　　由于被测信号属于低频信号，需要用频带从零开始的直流放大器。那么直流放大器将面临两个问题：一是前级和后级的静态工作点互相影响，二是零点漂移问题。前级引起的零点漂移电压，再被后级放大，最终将掩盖正常的信号输出。而差动放大电路因其具有特殊的电路结构，能够有效地抑制零点漂移，因此测量电路的第一级采用仪表放大器。

　　仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出高输入阻抗和高共模抑制比等特点。仪表放大器所采用的基础部件（运算放大器），它们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定; 而仪表放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑制比（CMR）。

　　流量计的信号调理电路图分析第1张

　　MAX4194 低功耗仪表放大器属于三运放拓扑结构，三运放拓扑的真正优势是能够进行真正的差分测量（高CMR），同时又有非常高的车俞入阻抗，这些特点使其得到了广泛应用，特别是在信号源阻抗非常高的场合。

　　外接增益设置电阻是仪表放大器的关键部件，要具有较好的温度系数和温度一致性，它的精度及温度稳定性直接影增益，对于放大器的总体性能有较大影响。特别是增益较大时（ G 》100），连线及插［ 1的电阻也会对增益带来附加误差。也就是说，式中的RG值应为外接电阻与连线等杂散电阻的总和。考虑到被测信号中强噪声的存在，减少噪声进入后续电路以及使得精密仪用放大器处于线性工作区，选第一级放大倍数约为10，取RG为5.5K。

　　流量计的信号调理电路图分析第2张

　　2.低通滤波电路

　　由传感器测量电极检测到的电压信号，经过仪表放大电路后变为单端信号。由于测到的电压信号属微弱信号，干扰信号的幅度相对较大，为保证前置放大器工作在线性区域，所以前置放大器的输出幅度仍然很低，不能直接进信号采样，还需要再经数百倍的放大。同时需要注意的是，高倍多级的放大必须预防放大器的自激振荡。此外，测量电路及器件本身存在噪声外，还有电磁干扰、静电干扰等因素，流量信号中仍然可能含有多种频率成分的噪声。严重时这些噪声可能淹没真正的流量信号，使得测量系统无法获取有用的流量信号。因此，在采集信号前需要进行滤波处理，将不需要的噪声干扰信号抑制掉，用以增加测量系统的信噪比。

　　设计中流量信号的频率是6.25Hz，属低频信号，所以设计使用低通滤波电路。

　　由集成运放和RC网络共同组成的滤波电路，由于集成运放是有源器件，属于有源滤波电路，具有选择性好、带负载能力强的特点，因此采用二阶有源低通滤波电路。

　　流量计的信号调理电路图分析第3张

　　运算放大器选用美国AD 公司的OP90，它是一种低电压微功耗器件，单、双电源两种供电模式。测量信号属于微小信号，采用单电原供电，供电范［围是+1.6V~+36V。此外，它的开环增益最小700V/mV，较高的共模抑制比，非常适合电池供电系统。

　　电路具有同相输入结构，集成运放接成电压跟随器的形式，直流输入电阻很高，输出电阻很低，具有很强的带负载能力。由于电路对于RC网络呈现很高的输入阻抗，因此，整个电路的选频特性基本上取决于RC网络。

　　3.信号放大电路

　　经过前置放大器的差动放大、二阶低通滤波电路之后，被测流量信号的共模干扰以及其他干扰频率的噪声得到了大大的削弱。但是，其信号幅值仍然很小，需要进行幅值的高倍数放大后，才能进行信号的采集与分析。

　　采用可调节高增益电压放大电路来实现信号放大。该电路由MAX4197和MAX4194 纠l成，MAX4194的外接精密电阴l/ 月来调节放大器的增益。

　　流量计的信号调理电路图分析第4张

　　对于高增益放大电路，为了满足输出信号幅值的设计要求，放大倍数通常较大，而作为测量电路本身的噪声也会被放大，因此只有通过负反馈环路，消除共模信号的干扰，才能确保电路对被测信号的放大作用。当流量测量信号进入测量电路时，放大器与电容形成负反馈闭环电路，测量电路的固有噪声信号反馈到输入端，即电容C3上的电庄玉值，被测信号与电容的噪声构成差动信号，从而去除固有噪声干扰信号，有效减少噪声信号的干扰。由于是两级放大，完全可以满足电路对信号的放大要求，使得整体放大倍数达到1万倍左右，输出信号幅值可以达到0.4V~ 2.5V，进入后续的A/D采样部分。