。
圖 7. 偏置為 0.28 VDC b、共模噪聲為 0.1 VP-P 系統(tǒng)中的電極電位
典型流速范圍為 0.01 m/s到 15 m/s——即動(dòng)態(tài)范圍為 1500:1。典型線路供電電磁流量計(jì)的靈敏度為 150 μV/（m/s）到 200 μV/（m/s）。因此，雙向流速為 0.01 m/s時(shí)，150 μV/（m/s）傳感器將提供 3 μVP-P 輸出。對(duì)于 2:1 的信噪比而言，折合到輸入端的總噪聲不應(yīng)超過(guò) 1.5 μVP-P。在直流到低頻范圍內(nèi)，流速的變化緩慢，因此 0.1 Hz到 10 Hz噪聲帶寬很重要。此外，傳感器輸出電阻可以很高。為了滿足這些要求，前端放大器必須具備較低的噪聲、較高的共模抑制能力，以及較低的輸入偏置電流。
傳感器的共模輸出電壓由前端放大器的共模抑制進(jìn)行衰減。若CMR為 120 dB，則 0.28 VDC 偏置被抑制到 0.28 μVDC。該失調(diào) 可以通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行交流耦合而校準(zhǔn)或取消。交流分量會(huì)在放 大器輸出端產(chǎn)生噪聲，低到可測(cè)試水平。若CMR為 120 dB，則 0.1 VP-P 被抑制到 0.1 μVP-P。
傳感器輸出電阻在幾十Ω到 107 Ω之間變化，具體取決于電極類型和流體導(dǎo)電率。為了大程度減少損失，前端放大器的輸入阻抗必須遠(yuǎn)大于傳感器的輸出電阻。需要用到一個(gè)具有高輸入電阻的JFET或CMOS輸入級(jí)。前端放大器的低偏置電流和低失調(diào)電流是減低電流噪聲和共模電壓的關(guān)鍵參數(shù)。表 4 顯示數(shù)個(gè)前端放大器的規(guī)格。
表 4. 代表性儀表放大器規(guī)格
圖 8 顯示采用精密儀表放大器 AD8228 的流量計(jì)。前端放大器抑制共模電壓，同時(shí)放大微弱的傳感器信號(hào)。該流量計(jì)合理的布局以及經(jīng)激光調(diào)整的電阻允許其提供有保證的增益誤差、增益漂移和共模抑制規(guī)格
。為了大程度減少泄漏電流，可以通 過(guò)對(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣
，并將緩沖電壓連接到輸入信號(hào)路徑周?chē)奈雌帘巫呔€
，從而保護(hù)高阻抗傳感器輸出。
第一級(jí)的增益通常為 10 到 20，但不會(huì)更高
，因?yàn)榈碗娖叫盘?hào)必須經(jīng)過(guò)放大才能進(jìn)行后期處理，同時(shí)保持較小的直流失調(diào)
，避免后級(jí)電路飽和
。
圖 8. 前端放大器和電磁流量傳感器之間實(shí)現(xiàn)接口
輸入級(jí)后接有源帶通濾波器，可用來(lái)抹除直流分量，并將增益設(shè)為利用后級(jí)ADC的輸入動(dòng)態(tài)范圍
。傳感器勵(lì)磁頻率范圍為電源線頻率的 1?25 到 1?2，據(jù)此可設(shè)置帶通截止頻率
。圖9 顯示流量計(jì)中使用的帶通濾波器
。
圖 9. 輸入放大器后接帶通濾波器
第一級(jí)是一個(gè)交流耦合單位增益高通濾波器，截止頻率為 0.16Hz。其傳遞函數(shù)為：
隨后幾級(jí)結(jié)合第一級(jí)形成完整的帶通濾波器，其低頻截止頻率為 0.37 Hz，高頻截止頻率為 37 Hz
，3.6 Hz時(shí)的峰值為 35.5 dB
，滾降為–40 dB/十倍頻程
，等效噪聲帶寬為 49 Hz。針對(duì)該級(jí)選擇的放大器一定不能產(chǎn)生額外的系統(tǒng)噪聲
。
使用低功耗精密運(yùn)算放大器 AD8622 ——其 1/f噪聲額定值為0.2 μVP-P，寬帶噪聲額定值為 11 nV/√Hz——折合到濾波器輸入端的噪聲為 15 nV rms。當(dāng)折合到放大器輸入端時(shí)，該噪聲變?yōu)?1.5 nV rms，與 0.01 m/s流速下的±1.5 μV P-P 噪聲相比可以忽略不計(jì)。將來(lái)自共模電壓、前端放大器和帶通濾波器的噪聲源相加，則折合到AD8228 輸入端的方和根噪聲為 0.09 μV rms，或者約 為 0.6 μV P-P。
濾波器輸出在幅度中包含流速，在相位中包含流向。雙極性信號(hào)通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)
、保持電容和差動(dòng)放大器進(jìn)行解調(diào)，如圖 10 所示
。模擬開(kāi)關(guān)必須具有較低的導(dǎo)通電阻和中等開(kāi)關(guān)速度
。高壓防閂鎖型四通道單刀單擲（SPST）開(kāi)關(guān)ADG5412 具有 9.8 Ω RON 典型值和1.2 Ω R ON 平坦度，對(duì)信號(hào)造成的增益誤差和失真很小
。
圖 10. 同步解調(diào)電路
低功耗、低成本、單位增益差動(dòng)放大器 AD8276 以 5 V滿量程輸入范圍與ADC實(shí)現(xiàn)接口
。因此
，其REF引腳連接 2.5 V基準(zhǔn)電壓源，并對(duì)雙極性輸出進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換處理
，將其轉(zhuǎn)換為單極性范圍
。高于 2.5 V的輸出表示正向流動(dòng)，而低于 2.5 V則表示 反向流動(dòng)
。
選擇 ADC
確定系統(tǒng)誤差預(yù)算時(shí)，通常傳感器是主導(dǎo)的因素，并且很多傳感器都會(huì)占到總誤差的 80%至 90%
。電磁流量計(jì)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定
，在 25°C和恒定流速的情況下，測(cè)量可重復(fù)性不應(yīng)超過(guò)系統(tǒng)最大偏差的 1/3
。若總誤差預(yù)算為 0.2%
，則可重復(fù)性不應(yīng)超過(guò) 0.06%。若傳感器占用了系統(tǒng)噪聲預(yù)算的 90%
，則變送器電極的最大誤差應(yīng)為 60 ppm.
若要最大程度降低誤差，可以對(duì)ADC樣本求平均值
。例如，對(duì)于五個(gè)樣本
，可以舍棄最大樣本和最小樣本
，并對(duì)余下的三個(gè)樣本求均值。ADC在每個(gè)建立的間隔期間都需要獲取五個(gè)樣本
，并在勵(lì)磁周期的最后 10%期間獲取
。這要求ADC的采樣 速率至少是傳感器勵(lì)磁頻率的 50 倍。為了適應(yīng)最快的 30 Hz勵(lì)磁
，最小采樣速率需達(dá)到 1500 Hz
。更高的采樣速度允許對(duì)更多樣本求均值，從而抑制噪聲
，獲得更佳的精度
。
Σ-?技術(shù)適合用來(lái)滿足這些對(duì)ADC的要求，以適當(dāng)?shù)乃俣忍峁┏錾脑肼曅阅?div id="m50uktp" class="box-center"> 。超低噪聲??型ADC AD7192 適合電磁流量計(jì)使用 ，該器件在 4800 Hz輸出數(shù)據(jù)速率下具有 16.5 位無(wú)噪聲分辨率額定值。表 5 顯示該器件的有效分辨率與增益和輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系
。
表 5. AD7192 有效分辨率與增益和輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系
圖 11 顯示ADC子電路，包括解調(diào)器輸出和微功耗、高精度 2.5V基準(zhǔn)電壓源 ADR3425
。
圖 11. ADC子電路
某些應(yīng)用（比如飲料灌裝）需更高頻率的傳感器勵(lì)磁。150 Hz傳感器線圈勵(lì)磁允許在大約一秒時(shí)間內(nèi)完成灌裝過(guò)程。噪聲要求不變
，但ADC必須更快
。Σ-?型ADCAD7176-2 的建立時(shí)間為 20 μs，250 kSPS時(shí)的無(wú)噪聲分辨率為 17 位
，50 Hz和 60 Hz信號(hào)音的噪聲抑制性能為 85 dB
。
模擬信號(hào)鏈測(cè)試
此處所述之構(gòu)建塊用來(lái)在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)勵(lì)磁和測(cè)試電磁流量傳感器。在真實(shí)的流量系統(tǒng)中還測(cè)試了完整的前端，包括高CMRR輸入級(jí)
、帶通濾波器和增益級(jí)。兩塊測(cè)試板在 1 m/s至 5 m/s范圍內(nèi)達(dá)到±0.2%精度
，可重復(fù)性為 0.055%
，很好地滿足了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。電磁流量計(jì)的信號(hào)鏈如圖 12 所示
。
圖 12. 電磁流量計(jì)
傳感器勵(lì)磁和測(cè)量表示整體系統(tǒng)性能，因?yàn)殡姌O產(chǎn)生的mV級(jí)信號(hào)最終轉(zhuǎn)換為流量結(jié)果。流速信號(hào)通過(guò)多種協(xié)議傳送至系統(tǒng)控制器
，包括RS-485 和 4 mA至 20 mA電流環(huán)路
。電流環(huán)路的重要優(yōu)勢(shì)是它不受線路壓降的影響
，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通信，并且相比電壓通信更不容易受到噪聲干擾影響
。在工廠自動(dòng)化應(yīng) 用中
，數(shù)字總線協(xié)議更為常用，使用差分電壓模式信號(hào)通過(guò)較短的距離便可提供高速通信
。圖 13 顯示 4 mA至 20 mA采樣電路
，使用HART ?圖 14 顯示隔離式RS-485 解決方案。
圖 13. 集成 HART 的 4 mA 至 20 mA 電流環(huán)路
圖 14. 隔離式 RS-485 電路
為了保持用戶界面的安全電壓 ，并防止源信號(hào)產(chǎn)生瞬變，通常在每個(gè)通信通道與系統(tǒng)控制器之間需要進(jìn)行電流隔離
。表6 列出的器件針對(duì)這些通信標(biāo)準(zhǔn)可提供最高的集成度
。
表 6. 用于工業(yè)數(shù)據(jù)采集的集成電路
結(jié)論
電磁流量計(jì)是目前使用比較廣泛的流量技術(shù)之一。主要用于液體流量測(cè)量 ，重點(diǎn)是自來(lái)水與污水處理系統(tǒng)
，在歐洲尤為受歡迎。其主要的發(fā)展趨勢(shì)是減少PCB面積和提升性能
。系統(tǒng)性能取決于模擬輸入模塊
，該模塊需要用到高阻抗、低噪聲
、高 CMRR輸入放大器和低噪聲
、高分辨率Σ-?型ADC。后續(xù)發(fā)展 趨勢(shì)表明需要用到速度更快的ADC
。AD719x系列ADC滿足當(dāng)前的系統(tǒng)級(jí)要求
，而AD7176 系列能夠很好地滿足未來(lái)的要求。 ADI的高效率DC-DC調(diào)節(jié)器
、集成式通信
、高分辨率ADC、精 密放大器以及高精度基準(zhǔn)電壓源可讓設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)新設(shè)計(jì)
