电磁流量计信号调理电路设计

MAX4194

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) , 同时又有非常高的输入阻抗, 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) , 连线及插口的电阻也 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。
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。
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 组成, MAX4194的外接精密电阻用来调节放大器的增益。
总结
设计了一种用于电磁流量计的信号调理电路, 包括仪表放大 电路, 低通滤波电路和信号放大电路, 可以有效地抑制干扰, 对信号进行放大, 从而达到测量要求。 电路中使用的运算放大器均采用低电压微功耗器件, 大大降 低了电路的功耗。该信号调理电路也使用与其他电池供电的 便携式测试系统。
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。
1.仪表放大电路
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) 。
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上的电压值, 被测信号与电容上 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。
电磁流量计信号调理电路设计
电磁流量计的测量原理是基于法拉第电磁感应定律, 导电流 体在交变磁场中做切割磁力线运动产生感应电动势, 通过测 量感应电动势达到测流量的目的。 由于感应电动势是一种低频, 低电压信号, 并且参杂有很多干 扰信号, 在进行AD采样前必须经过处理才能达到要求。 这里设计了一种在电池供电电磁流量计系统中使用的信号调 理电路,可以实现对微小信号的调理, 同时电路功耗较低。该 信号调理电路主要由仪表放大器, 低通滤波电路和信号放大 电路三部分组成。