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

　　模數轉換器得到的信號樣點波形是脈動的，需要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。我們的方案使用了一片工作在400兆赫茲主頻的ADSP-BF504F數字信號處理器，它屬于Blackfin處理器家族中的BF50x系列，具有4M字節片內閃存、68k字節片內靜態隨機存儲器、8個32比特脈寬調制輸出定時器、2組串行總線接口、2路串行異步收發器，以及35個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字域內的同步解調。ADSP-BF504F輸出一對在邏輯上互補的電磁流量傳感器線圈的驅動控制脈沖信號1和2。在這對信號的控制下，流過電磁流量傳感器線圈的電流實現換向，測量管段內的工作磁場方向和電磁流量傳感器電極輸出的信號也隨之反轉。以第n個周期為例，數字信號處理器把從模數轉換器得到的信號樣點按照線圈驅動控制脈沖的邏輯狀態分組暫存為靜態隨機存儲器里的兩個數組。即正向勵磁半周時采到的樣點按時間排序存為一組，負向勵磁半周時采到的樣點按時間排序存為另一組。去除電流換向的瞬態和信號趨向穩定的少部分波動樣點，余下的樣點分別進入一個有限沖激響應的低通數字濾波器進行濾波。該濾波器的截止頻率設置為20赫茲，可以讓有用的信號通過的同時衰減高頻噪聲和工頻干擾。經過濾波的正向和反向數據樣點進行求平均運算各得到一個正向和反向勵磁半周的信號平均值，然后把這兩個平均值相減得到與流速成比例的信號值。該數值的量綱是LSB/(米/秒)。該數值除以電路硬件的增益、模數轉換器的標尺、電磁流量傳感器的靈敏度即可計算出米/秒流速值。與傳統的以模擬信號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 勵磁電路方案

　　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。通常等級一千伏的基本隔離就足夠。傳統的電磁流量轉換器常用光耦隔離。我們開發的方案中采用iCoupler磁隔離四通道數字隔離器ADuM7440實現隔離。ADuM7440數字隔離器隔離器結合了高速CMOS和單片空芯變壓器技術，提供四個獨立的隔離通道，采用小型16引腳QSOP封裝，比SOIC寬體封裝節省近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標準等法規需求。ADuM7440的供電電壓范圍在任何一側均為3.0V至5.5V，可提供與低壓系統的兼容，并可實現通過隔離屏障的電平轉換功能。

　　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。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。如果在反饋管腳接一0.6歐姆的電流設定電阻，則ADP2441就會調整輸出電流到250毫安。通過改變電流設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定電阻上的功耗。與傳統變送器常用光耦、線型恒流源、插件封裝的場效應管的方案相比，我們的方案節省約80%以上的電路面積。總線輸出側的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實現一千伏基本隔離。

3 試驗結果

　　配合25mm和50mm口徑的電磁流量傳感器，常溫水的標定試驗中，使用6.25赫茲勵磁頻率，在0.5米/秒到2米每秒的流速范圍內，本文設計方案基本誤差達到+/-0.2%讀數。測試數據詳見表1和表2。

4 結論

　　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，改進了勵磁電路，大大減少了電路板面積，降低了功耗和物料成本。原理樣機在實驗室測試中達到了±0.2%讀數測量精度。該方案具有優秀的性能和良好的性價比，值得電磁流量計廠家和用戶做進一步評估和技術開發。

參考文獻：

　　[1] 蔡武昌，馬中原，瞿國芳，等，電磁流量計 [M]。北京：中國石化出版社, 2004：4-8