高精度數(shù)字過(guò)采樣與磁隔離在工業(yè)電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器的模擬前端電路的應(yīng)用

摘要：本文介紹了一種新型電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器方案顯著簡(jiǎn)化以模擬信號(hào)處理為主的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器電路。刪除原有模擬帶通放大和采樣保持電路等，只保留第一級(jí)儀表放大器電路。高速24比特∑?模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)放大器的輸出進(jìn)行采樣。數(shù)字信號(hào)處理器在數(shù)字域內(nèi)同步解調(diào)交流信號(hào)、濾除尖峰和噪聲。磁隔離技術(shù)的數(shù)字隔離器芯片替代傳統(tǒng)光耦。新方案比傳統(tǒng)方案在電路面積、功耗、物料成本上有明顯改進(jìn)。原理樣機(jī)在標(biāo)定試驗(yàn)中達(dá)到良好精度。

前言

　　自從20世紀(jì)50年代工業(yè)電磁流量計(jì)產(chǎn)品問(wèn)世以來(lái)，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電磁流量計(jì)已經(jīng)日趨成熟和完善。電磁流量計(jì)因其口徑范圍寬、量程大、精度高、無(wú)壓力損失、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。電磁流量計(jì)由電磁流量傳感器和電磁流量轉(zhuǎn)換器組成。電磁流量傳感器的輸出信號(hào)幅值很微小，通常在微伏到若干毫伏之間。工業(yè)電磁流量計(jì)的轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)處理電路通常包括前置放大、后級(jí)放大、帶通濾波、采樣保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換等。當(dāng)前常用的低頻矩形波勵(lì)磁的傳感器激勵(lì)方式，要求電磁流量轉(zhuǎn)換器能夠把被調(diào)制的傳感器輸出解調(diào)為直流信號(hào)。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，使用的元器件數(shù)量較多，占用較多的電路板空間。我們開發(fā)了一種新型電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器方案，顯著簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的信號(hào)處理電路，刪除了模擬帶通放大、采樣保持電路等。我們的方案只保留第一級(jí)儀表放大器電路，采用高速的∑?模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7175-2對(duì)儀表放大器的輸出進(jìn)行采樣，在數(shù)字域內(nèi)重建流速信號(hào)波形、同步解調(diào)交流信號(hào)、濾除尖峰和噪聲，計(jì)算得到流速信號(hào)。電磁流量傳感器激勵(lì)電路又叫做勵(lì)磁電路，需要與信號(hào)放大調(diào)理電路隔離。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器常用光耦隔離和線性穩(wěn)壓源。我們開發(fā)的方案中采用iCoupler數(shù)字隔離器ADuM7440和開關(guān)模式同步降壓芯片ADP2441、ADR5040基準(zhǔn)電壓源，配合集成場(chǎng)效應(yīng)管H橋芯片組成勵(lì)磁電路，顯著減少了電路板占用面積。

1 模擬前端電路方案

　　電磁流量計(jì)的工作原理是法拉第電磁感應(yīng)定律。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)電流體流過(guò)傳感器工作磁場(chǎng)時(shí)，在測(cè)量管壁與流動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向相互垂直的一對(duì)電極間，產(chǎn)生與體積流量成比例的電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)的大小可表示為E=kBDv。其中E是感應(yīng)信號(hào)電勢(shì)，k是常數(shù)，B是磁感應(yīng)強(qiáng)度，D是測(cè)量管內(nèi)徑，v是測(cè)量管內(nèi)電極斷面軸線方向平均流速。電磁流量傳感器的靈敏度通常為150微伏/(米/秒)到200微伏/(米/秒)，因?yàn)檎{(diào)制勵(lì)磁電流的換向，傳感器的輸出信號(hào)幅值加倍[1]。對(duì)0.1米/秒到15米/秒流速的量程范圍，傳感器輸出信號(hào)幅值在30微伏到4～6毫伏之間。

　　傳統(tǒng)工業(yè)電磁流量計(jì)的轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)處理電路通常包括前置放大、后級(jí)放大、帶通濾波、采樣保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換等。常規(guī)的電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器電路的信號(hào)處理通常如下圖1。微伏到毫伏級(jí)的傳感器輸出信號(hào)首先被儀表放大器放大。既要盡可能多的放大有用信號(hào)，又要避免共模電壓造成放大器輸出飽和，第一級(jí)儀表放大器的放大倍數(shù)通常設(shè)定為不大于10倍。接著使用帶通濾波器把信號(hào)進(jìn)一步放大幾十倍到伏級(jí)。放大的信號(hào)經(jīng)過(guò)微處理器控制的采樣保持電路濾除尖峰，變成直流信號(hào)送入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。電磁流量傳感器通常使用低頻矩形波勵(lì)磁。信號(hào)調(diào)理電路與勵(lì)磁電路之間通過(guò)光耦隔離。總線側(cè)的4-20毫安電流輸出、頻率脈沖輸出、報(bào)警輸出等也通過(guò)光耦隔離。

　　我們開發(fā)了一種新型電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器方案，顯著簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的信號(hào)處理電路，刪除了模擬帶通放大、采樣保持電路等。該方案只保留第一級(jí)儀表放大器電路，這里采用場(chǎng)效應(yīng)管輸入級(jí)的軌到軌輸出儀表放大器AD8220。它采用緊湊的MSOP封裝，具有100dB共模抑制比、10pA最大輸入偏置電流，噪聲轉(zhuǎn)折頻率典型值僅為10 Hz。第一級(jí)儀表放大器的增益設(shè)定為10倍。假設(shè)電磁流量傳感器的靈敏度是150微伏/(米/秒)，那么經(jīng)過(guò)AD8220后的0.1米/秒、1米/秒、15米/秒流速的信號(hào)幅值就被分別放大為0.3毫伏、3毫伏和45毫伏。

　　與傳統(tǒng)的電磁流量轉(zhuǎn)換器電路不同的地方是，我們的方案沒(méi)有對(duì)第一級(jí)儀表放大器輸出信號(hào)做進(jìn)一步的模擬信號(hào)調(diào)理，而是使用較高速的∑?模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7175-2對(duì)儀表放大器的輸出進(jìn)行直接采樣。AD7175-2是雙通道、24比特、250kSPS采樣率、片內(nèi)集成軌到軌輸入緩沖器的∑?模數(shù)轉(zhuǎn)換器，支持真差分、偽差分和單端輸入。我們的方案只使用AD7175-2的一個(gè)差分輸入通道，并平衡獲取足夠數(shù)量的樣點(diǎn)以重建波形和降低電路功耗的需要，其采樣率被設(shè)為31.25kSPS。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器在31.25kSPS和使用內(nèi)部Sinc5加Sinc1濾波器條件下，量化峰峰值噪聲是221微伏，折算到10倍增益的第一級(jí)放大器輸入端是22微伏。這不僅淹沒(méi)了0.1米/秒流速情況下電磁流量傳感器的信號(hào)輸出，并且31.25kSPS也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出流速計(jì)算所需求的有效刷新率需求。31.25kSPS的采樣率在一個(gè)勵(lì)磁周期內(nèi)(以1/8工頻為例)可以提供多達(dá)5000個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換樣點(diǎn)。除去磁場(chǎng)換向產(chǎn)生的瞬態(tài)區(qū)間，至少還有四千多個(gè)樣點(diǎn)供流速計(jì)算處理。有這樣多的樣點(diǎn)數(shù)量，我們可以使用數(shù)字濾波器把模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)率降低到例如5赫茲，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化噪聲也就隨之衰減至4.95微伏，折算到10倍增益的第一放大器輸入端僅0.5微伏，折合3毫米/秒的流速分辨率。