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。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/273275.htm

關(guān)鍵詞：電磁流量計(jì)；高精度；模數(shù)轉(zhuǎn)換器；數(shù)字信號(hào)處理器；磁隔離技術(shù)；

DOI：1 0.396 9/j.issn.1 005-551 7.201 5.4.016

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。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(kāi)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(kāi)發(fā)的方案中采用iCoupler數(shù)字隔離器ADuM7440和開(kāi)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。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(kāi)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l(wèi)OOdB共模抑制比、lOpA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O.l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EA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Sincl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O.l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l/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。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到的信號(hào)樣點(diǎn)波形是脈動(dòng)的，需要在數(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)。我們的方案使用了一片工作在400兆赫茲主頻的ADSP-BF504F數(shù)字信號(hào)處理器，它屬于Blackfin處理器家族中的BF50x系列，具有4M字節(jié)片內(nèi)閃存、68k字節(jié)片內(nèi)靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器、8個(gè)32比特脈寬調(diào)制輸出定時(shí)器、2組串行總線接口、2路串行異步收發(fā)器，以及35個(gè)通用輸入輸出口等適合該方案的資源。圖3解釋了我們的方案如何完成在數(shù)字域內(nèi)的同步解調(diào)。ADSP-BF504F輸出一對(duì)在邏輯上互補(bǔ)的電磁流量傳感器線圈的驅(qū)動(dòng)控制脈沖信號(hào)1和2。在這對(duì)信號(hào)的控制下，流過(guò)電磁流量傳感器線圈的電流實(shí)現(xiàn)換向，測(cè)量管段內(nèi)的工作磁場(chǎng)方向和電磁流量傳感器電極輸出的信號(hào)也隨之反轉(zhuǎn)。以第n個(gè)周期為例，數(shù)字信號(hào)處理器把從模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到的信號(hào)樣點(diǎn)按照線圈驅(qū)動(dòng)控制脈沖的邏輯狀態(tài)分組暫存為靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器里的兩個(gè)數(shù)組。即正向勵(lì)磁半周時(shí)采到的樣點(diǎn)按時(shí)間排序存為一組，負(fù)向勵(lì)磁半周時(shí)采到的樣點(diǎn)按時(shí)間排序存為另一組。去除電流換向的瞬態(tài)和信號(hào)趨向穩(wěn)定的少部分波動(dòng)樣點(diǎn)，余下的樣點(diǎn)分別進(jìn)入一個(gè)有限沖激響應(yīng)的低通數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波。該濾波器的截止頻率設(shè)置為20赫茲，可以讓有用的信號(hào)通過(guò)的同時(shí)衰減高頻噪-F聲和工頻干擾。經(jīng)過(guò)濾波的正向和反向數(shù)據(jù)樣點(diǎn)進(jìn)行求平均運(yùn)算各得到一個(gè)正向和反向勵(lì)磁半周的信號(hào)平均值，然后把這兩個(gè)平均值相減得到與流速成比例的信號(hào)值。該數(shù)值的量綱是LSB/（米/秒）。該數(shù)值除以電路硬件的增益、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的標(biāo)尺、電磁流量傳感器的靈敏度即可計(jì)算出米/秒流速值。與傳統(tǒng)的以模擬信號(hào)處理為主的方案相比，該部分電路面積、功耗降低約一半，電子線路噪聲降低約20%，物料成本減少約30%。

2 勵(lì)磁電路方案

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。通常等級(jí)一千伏的基本隔離就足夠。傳統(tǒng)的電磁流量轉(zhuǎn)換器常用光耦隔離。我們開(kāi)發(fā)的方案中采用iCoupler磁隔離四通道數(shù)字隔離器ADuM7440實(shí)現(xiàn)隔離。ADuM7440數(shù)字隔離器隔離器結(jié)合了高速CMOS和單片空芯變壓器技術(shù)，提供四個(gè)獨(dú)立的隔離通道，采用小型16引腳QSOP封裝，比SOIC寬體封裝節(jié)省近70%的電路板空間，比光耦器件封裝尺寸更小，功耗更低，滿足諸如UL和CSA標(biāo)準(zhǔn)等法規(guī)需求。ADuM7440的供電電壓范圍在任何一側(cè)均為3.ov至5.5V，可提供與低壓系統(tǒng)的兼容，并可實(shí)現(xiàn)通過(guò)隔離屏障的電平轉(zhuǎn)換功能。

開(kāi)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。如圖2所示ADP2441被配置為恒流源輸出模式。ADR5040輸出1.2伏基準(zhǔn)電壓，分壓得到150毫伏的參考電壓。該電壓連接到ADP2441的電壓跟蹤管腳，其反饋管腳上的電壓也變成150毫伏。如果在反饋管腳接——0.6歐姆的電流設(shè)定電阻，則ADP2441就會(huì)調(diào)整輸出電流到250毫安。通過(guò)改變電流設(shè)定電阻值即可改變恒流源電流的大小。更低的參考電壓可以降低在電流設(shè)定電阻上的功耗。與傳統(tǒng)變送器常用光耦、線型恒流源、插件封裝的場(chǎng)效應(yīng)管的方案相比，我們的方案節(jié)省約80%以上的電路面積。總線輸出側(cè)的4到20毫安電流和頻率脈沖輸出電路的隔離使用了iCoupler系列的ADuM7441和ADuM7240實(shí)現(xiàn)一千伏基本隔離。

3 試驗(yàn)結(jié)果

配合25mm和50mm口徑的電磁流量傳感器，常溫水的標(biāo)定試驗(yàn)中，使用6.25赫茲勵(lì)磁頻率，在0.5米/秒到2米每秒的流速范圍內(nèi)，本文設(shè)計(jì)方案基本誤差達(dá)到+/一0.2%讀數(shù)。測(cè)試數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1和表2。

4 結(jié)論

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，改進(jìn)了勵(lì)磁電路，大大減少了電路板面積，降低了功耗和物料成本。原理樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中達(dá)到了±0.2%讀數(shù)測(cè)量精度。該方案具有優(yōu)秀的性能和良好的性價(jià)比，值得電磁流量計(jì)廠家和用戶做進(jìn)一步評(píng)估和技術(shù)開(kāi)發(fā)。