針對(duì)感應電動勢的(de)上述特點設計了(le)高(gāo)精度電磁流量計智能化(huà)放大(dà)電路， 其參考電路如圖所示。電路由以下(xià)幾部分(fēn)組成： 采用(yòng)高(gāo)精度儀表放大(dà)器A1組成的(de)前端放大(dà)器、運放A2等組成的(de)濾波回路、運放A3等組成的(de)可(kě)變增益放大(dà)器、運放A4等組成的(de)采樣和(hé)保持電路以及24 位高(gāo)精度的(de)Σ - Δ A/D轉換器（該A/D 含在美(měi)國Analog 公司最新推出的(de)A/D μC824 單片機中）。
1 前置放大(dà)電路
首先應該說明(míng)：由于感應電動勢是交變信号，此交變信号是由勵磁信号感應産生的(de)。勵磁信号選用(yòng)交變頻(pín)率50 Hz 的(de)8 分(fēn)頻(pín)(6.25 Hz)，即勵磁信号的(de)周期爲160 ms。電路采用(yòng)三值方波勵磁形式，此形式能很好地消除電極兩端的(de)極化(huà)效應，勵磁波形如圖2 所示。
由此勵磁産生的(de)信号也(yě)爲與圖2類似的(de)交變信号。但由于此信号内阻爲幾M Ω， 如果儀表要達到± 0.5 % 的(de)整體精度，那麽整個(gè)放大(dà)電路的(de)精度必須<0.2 %， 而最前端的(de)A1 放大(dà)回路的(de)精度必須控制在0.1 % 以内，因此，必須選用(yòng)高(gāo)達1000 M Ω以上輸入阻抗的(de)運算(suàn)放大(dà)器。爲此，我們選用(yòng)了(le)INA114 集成儀表運放，具有± 40 V的(de)輸入保護電壓， 輸入阻抗爲10 GΩ， 外接元件少， 符合儀表小型化(huà)的(de)要求， 同時(shí)通(tōng)過外接的(de)1 個(gè)精密電阻R3，就可(kě)以調節放大(dà)倍數， 計算(suàn)公式爲A = 1+ 50 k Ω /R3
由于電極對(duì)地的(de)電動勢各種幹擾成分(fēn)多(duō)，爲保證前置放大(dà)器不處于飽和(hé)與截止狀态，同時(shí)也(yě)盡量降低A1 運放本身與後面電路帶來(lái)的(de)噪聲，選用(yòng)10倍左右的(de)放大(dà)倍數，即R3 的(de)值爲4.7 k Ω或5.1 k Ω，保證第一級IN114 的(de)輸出電壓<± 5 V。
圖1 中的(de)R2、R3 電阻給IN114 提供偏置電流，其阻值爲10 M Ω。
2 二階有源低通(tōng)濾波器
圖1 中R4、R5、C1、C2 和(hé)A2 運放構成了(le)二階壓控電壓源有源低通(tōng)濾波器。這(zhè)是一個(gè)經典電路，由二階壓控電壓源濾波器的(de)一般表達式，分(fēn)析推導出放大(dà)倍數：AVF= 1
而傳遞函數爲A(s)? ?n2/s2??n/Q?s??n2 （2）由此幅頻(pín)特性用(yòng)歸一化(huà)後的(de)幅值取對(duì)數表示，
可(kě)得(de)出：
當ω / ω n =1，Q=0.707 時(shí)， 20lg|A(j ω)|=-3 dB;
當ω / ω n =10，Q=0.707 時(shí)，20lg|A(jω)|=-40 dB。
因此， 當勵磁頻(pín)率爲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(hé)（7），我們選用(yòng)适當的(de)值：
R4=47 k Ω，R5=47 k Ω，C1=1 μ F，C2=0.33 μ F
這(zhè)樣一來(lái)，此低通(tōng)濾波電路在6.25 Hz的(de)特征頻(pín)率下(xià)有很好的(de)低通(tōng)濾波效果。
3 可(kě)調增益放大(dà)電路
接下(xià)來(lái)的(de)一級電路爲高(gāo)倍數放大(dà)電路，由圖1中的(de)A3 放大(dà)器、R6、R7、R8、R9和(hé)口徑電阻網絡組成。由于 電磁流量計 的(de)前置隻有10 左右的(de)放大(dà)倍數，因此這(zhè)一級還(hái)需要根據不同的(de)儀表口徑分(fēn)别放大(dà)10~40倍，使 電磁流量計 的(de)總放大(dà)倍數達到1000~4000。即使0.1~5 mV流量對(duì)應的(de)電動勢通(tōng)過放大(dà)後達到0.4~2.5 V，供後續的(de)采樣保持和(hé)A/D轉換器使用(yòng)。簡化(huà)後的(de)放大(dà)電路如圖3 所示。該電路最大(dà)的(de)優點是：用(yòng)低值電阻實現高(gāo)放大(dà)倍數的(de)比例運算(suàn)，R7、R8 和(hé)口徑電阻組成了(le)T型網絡以代替反饋電阻Rf。這(zhè)樣一來(lái)R7、R8和(hé)口徑電阻R 的(de)阻值容易選擇，且可(kě)以控制阻值精度，從而控制儀表精度。圖3 電路的(de)放大(dà)倍數通(tōng)過三角形- 星形轉換最後得(de)到：AVF= - (R7+R8+R7R8/R) / R6 （8）在實際電路中，我們取R7=47 k Ω，R8=47 k Ω，R6=4.7 k Ω。口徑電阻R 是一個(gè)電阻網絡， 由單片機AD μ C824 控制CD4051 來(lái)選擇不同的(de)電阻， 具體的(de)值由實際标定來(lái)确定。
4 采樣保持電路
爲了(le)将方波流量信号保留而将主要的(de)工頻(pín)幹擾消除，我們采取了(le)這(zhè)種采樣保持電路，從圖1中可(kě)以看出由R10、C4、C5 和(hé)CD4066 切換開關組成。作爲一個(gè)積分(fēn)器，同時(shí)也(yě)是一個(gè)濾波電路，當選擇積分(fēn)時(shí)間t1爲幹擾信号周期T2的(de)整數倍，此時(shí)幹擾信号可(kě)完全被平均掉。由于最有可(kě)能的(de)串模幹擾爲工頻(pín)50 Hz幹擾，即T2=20 ms，因此在這(zhè)個(gè)電路中，我們采用(yòng)R10=10 k Ω，C4=C5=22 μ F， 時(shí)間常數τ =220 m s， 爲工頻(pín)信号周期的(de)5 倍， 完全濾掉了(le)工頻(pín)幹擾。缺點是有一定的(de)信号滞後。當正的(de)方波信号來(lái)時(shí)，接通(tōng)上面的(de)開關，正方波信号被保持在C4 上，而交流信号被R10、C4濾掉;同樣當負的(de)方波信号來(lái)時(shí)，接通(tōng)下(xià)面的(de)開關，負方波信号被保持在C5上，而交流信号被R10、C5濾掉。這(zhè)樣一來(lái)，正、負兩個(gè)信号的(de)方波幅值分(fēn)别被保持在C4、C5 上，分(fēn)别接入儀表放大(dà)器A4（IN114）的(de)同相輸入端。由于該放大(dà)器具有10 GΩ的(de)輸入阻抗， 提高(gāo)了(le)采樣保持電路的(de)保持特性。爲了(le)可(kě)以測量管道的(de)正向和(hé)反向流量，一般情況下(xià)是： 當測量正向流量時(shí)，A4 放大(dà)器輸出的(de)差動電壓爲正值； 當測量反向流量時(shí)，A4 放大(dà)器輸出的(de)差動電壓爲負值。爲解決這(zhè)個(gè)問題，在IN114的(de)REF端接入一個(gè)+2.5 V的(de)參考電壓，以達到正向流量放大(dà)後的(de)電壓信号在2.5~5.0 V之間，零流量在2.5 V左右， 反向流量放大(dà)後的(de)電壓信号在0~2.5 V之間， 輸入到後面AD μ C824 單片機内置的(de)24 位高(gāo)精度的(de)Σ - Δ A/D 轉換器。1.2.5 内含高(gāo)精度Σ-ΔA/D轉換器的(de)ADμ C824單片機通(tōng)過前面一系列的(de)信号放大(dà)、濾波和(hé)采樣保持電路處理(lǐ)，已經得(de)到了(le)一個(gè)比較穩定的(de) 電磁流量計 信号。爲得(de)到高(gāo)精度 電磁流量計 ，還(hái)需要采用(yòng)高(gāo)精度A/D 轉換輸入到單片機中。爲使 電磁流量計 轉換器的(de)設計小型化(huà)，我們采用(yòng)了(le)性能價格比很高(gāo)的(de)AD μ C824 單片機，ADμC824 是美(měi)國Analog 公司新推出的(de)， 可(kě)以說是一個(gè)全集成的(de)數據采集系統，内部分(fēn)爲模拟和(hé)數字兩大(dà)部分(fēn)。模拟部分(fēn)集成了(le)兩個(gè)高(gāo)精度的(de)Σ - Δ A/D轉換器，對(duì)輸入信号可(kě)以增益控制。當信号弱時(shí)，可(kě)以通(tōng)過切換量程，從20 mV~2.56 V共8個(gè)量程調節。對(duì)A/D輸入通(tōng)道還(hái)可(kě)以配置數字濾波，十分(fēn)方便，還(hái)有12位的(de)DAC輸出等。其它數字部分(fēn)集成了(le)8 KB的(de)Flash 程序區(qū)， 640 B 的(de)EEPROM， 256 B 的(de)RAM等， 是一個(gè)非常适用(yòng)于 電磁流量計 的(de)高(gāo)性能單片機。在電路設計中， 我們充分(fēn)利用(yòng)其優越的(de)性能，對(duì)AD μ C824 采用(yòng)模拟5 V和(hé)數字5 V兩組電源分(fēn)别供電。這(zhè)樣可(kě)以将 電磁流量計 前端運放已經處理(lǐ)好的(de)信号直接輸入到A/D 的(de)輸入端AIN1， 在内部配置了(le)50 Hz 數字濾波器，避免了(le)常規設計中的(de)模拟或數字的(de)隔離環節。本部分(fēn)A/D采樣的(de)分(fēn)辨率爲24 位， 精度達到了(le)1/10000 以上， 對(duì)提高(gāo)整個(gè) 電磁流量計 的(de)性能起了(le)很大(dà)的(de)作用(yòng)。
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