高精度數字過采樣與磁隔離在工業電磁流量計轉換器的模擬前端電路的應用

摘要：本文介紹了一種新型電磁流量計轉換器方案顯著簡化以模擬信號處理為主的傳統轉換器電路。刪除原有模擬帶通放大和采樣保持電路等，只保留第一級儀表放大器電路。高速24比特∑?模數轉換器對放大器的輸出進行采樣。數字信號處理器在數字域內同步解調交流信號、濾除尖峰和噪聲。磁隔離技術的數字隔離器芯片替代傳統光耦。新方案比傳統方案在電路面積、功耗、物料成本上有明顯改進。原理樣機在標定試驗中達到良好精度。

前言

　　自從20世紀50年代工業電磁流量計產品問世以來，隨著電子技術和計算機技術的飛速發展，電磁流量計已經日趨成熟和完善。電磁流量計因其口徑范圍寬、量程大、精度高、無壓力損失、可靠性高等優點，在工業領域得到廣泛應用[1]。電磁流量計由電磁流量傳感器和電磁流量轉換器組成。電磁流量傳感器的輸出信號幅值很微小，通常在微伏到若干毫伏之間。工業電磁流量計的轉換器的模擬信號處理電路通常包括前置放大、后級放大、帶通濾波、采樣保持、模數轉換等。當前常用的低頻矩形波勵磁的傳感器激勵方式，要求電磁流量轉換器能夠把被調制的傳感器輸出解調為直流信號。傳統的轉換器電路結構較復雜，使用的元器件數量較多，占用較多的電路板空間。我們開發了一種新型電磁流量計轉換器方案，顯著簡化了傳統的信號處理電路，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儀表放大器電路，采用高速的∑?模數轉換器AD7175-2對儀表放大器的輸出進行采樣，在數字域內重建流速信號波形、同步解調交流信號、濾除尖峰和噪聲，計算得到流速信號。電磁流量傳感器激勵電路又叫做勵磁電路，需要與信號放大調理電路隔離。傳統的轉換器常用光耦隔離和線性穩壓源。我們開發的方案中采用iCoupler數字隔離器ADuM7440和開關模式同步降壓芯片ADP2441、ADR5040基準電壓源，配合集成場效應管H橋芯片組成勵磁電路，顯著減少了電路板占用面積。

1 模擬前端電路方案

　　電磁流量計的工作原理是法拉第電磁感應定律。根據法拉第電磁感應定律，導電流體流過傳感器工作磁場時，在測量管壁與流動方向和磁場方向相互垂直的一對電極間，產生與體積流量成比例的電動勢。電動勢的大小可表示為E=kBDv。其中E是感應信號電勢，k是常數，B是磁感應強度，D是測量管內徑，v是測量管內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)，因為調制勵磁電流的換向，傳感器的輸出信號幅值加倍[1]。對0.1米/秒到15米/秒流速的量程范圍，傳感器輸出信號幅值在30微伏到4～6毫伏之間。

　　傳統工業電磁流量計的轉換器的模擬信號處理電路通常包括前置放大、后級放大、帶通濾波、采樣保持、模數轉換等。常規的電磁流量計轉換器電路的信號處理通常如下圖1。微伏到毫伏級的傳感器輸出信號首先被儀表放大器放大。既要盡可能多的放大有用信號，又要避免共模電壓造成放大器輸出飽和，第一級儀表放大器的放大倍數通常設定為不大于10倍。接著使用帶通濾波器把信號進一步放大幾十倍到伏級。放大的信號經過微處理器控制的采樣保持電路濾除尖峰，變成直流信號送入模擬數字轉換器。電磁流量傳感器通常使用低頻矩形波勵磁。信號調理電路與勵磁電路之間通過光耦隔離。總線側的4-20毫安電流輸出、頻率脈沖輸出、報警輸出等也通過光耦隔離。

　　我們開發了一種新型電磁流量計轉換器方案，顯著簡化了傳統的信號處理電路，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儀表放大器電路，這里采用場效應管輸入級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，噪聲轉折頻率典型值僅為10 Hz。第一級儀表放大器的增益設定為10倍。假設電磁流量傳感器的靈敏度是150微伏/(米/秒)，那么經過AD8220后的0.1米/秒、1米/秒、15米/秒流速的信號幅值就被分別放大為0.3毫伏、3毫伏和45毫伏。

　　與傳統的電磁流量轉換器電路不同的地方是，我們的方案沒有對第一級儀表放大器輸出信號做進一步的模擬信號調理，而是使用較高速的∑?模數轉換器AD7175-2對儀表放大器的輸出進行直接采樣。AD7175-2是雙通道、24比特、250kSPS采樣率、片內集成軌到軌輸入緩沖器的∑?模數轉換器，支持真差分、偽差分和單端輸入。我們的方案只使用AD7175-2的一個差分輸入通道，并平衡獲取足夠數量的樣點以重建波形和降低電路功耗的需要，其采樣率被設為31.25kSPS。該模數轉換器在31.25kSPS和使用內部Sinc5加Sinc1濾波器條件下，量化峰峰值噪聲是221微伏，折算到10倍增益的第一級放大器輸入端是22微伏。這不僅淹沒了0.1米/秒流速情況下電磁流量傳感器的信號輸出，并且31.25kSPS也遠遠超出流速計算所需求的有效刷新率需求。31.25kSPS的采樣率在一個勵磁周期內(以1/8工頻為例)可以提供多達5000個模數轉換樣點。除去磁場換向產生的瞬態區間，至少還有四千多個樣點供流速計算處理。有這樣多的樣點數量，我們可以使用數字濾波器把模數轉換數據率降低到例如5赫茲，模數轉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。