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涡街流量计的差分电荷放大器说明

时间:2018/02/01来源:未知

摘要:电荷放大器是涡街流量计信号调理电路中的一个关键模块,对整个测量系统的性能起到重要作用。 该文设计一种基于经典仪用放大器结构的电荷放大器, 并进行了理论分析、模型仿真和电路实验,证明该电荷放大器能够有效地改善对低速流体的测量性能,有助于扩展涡街流量计的量程比。
  涡街流量计由于仪表内无机械可动部件, 使用寿命长,流量测量几乎不受介质不同的影响,测量精度较高,与节流流量计相比,它的压力损失小,量程比宽,可直接输出数字信号等,因此其应用范围相当广泛。 大多涡街流量计采用压电传感器来检测涡街信号,但是,由于其本身的内阻高、输出信号非常微弱, 因此在压电传感器的后面都加入一级电荷放大器,把压电传感器的高输出阻抗变成低输出阻抗,并且放大压电传感器输出的微弱信号供后续电路处理[1-2]。 串联在电路中的电荷放大器的优劣直接影响整个系统性能的好坏。
  为此,一些专家提出了单运放差动式电荷放大器的方案[3-4]。 相比单端输入的电荷放大器, 差动式电荷放大器输出信号的幅值得到了提高,更有利于小信号的测量。 但是,存在以下不足:(1)由于运放同相端没有电容负反馈,输入电荷累积作用较小;(2)整个电荷放大器抗共模干扰能力差。
  针对以上的情况, 研制了一种三运放差分电荷放大器。 该电路采用三个运放组成经典的仪用放大器结构,形成两个电容负反馈回路,能有效地增大小流量时的输出电压信号幅值和抑制信号中混有的共模干扰。

1、单运放差动式电荷放大器:
1.1、电荷放大器等效电路:

  压电传感器从其功能来看, 是一个电荷发生器即一个电荷源,同时,也是一个电容器,所以压电传感器可等效为一个与电容器并联的电荷源。 电荷放大器是一种深度电容负反馈放大器, 它的输出电压正比于输入电荷, 具有高输入阻抗并且使传感器的灵敏度与电缆长度无关,其等效电路如图 1 所示。
图1 电荷放大器等效电路
  其中:Ca为压电传感器等效电容;Ra为压电传感器的泄漏电阻;Cc为连接电缆等效电容;Ri为放大器的输入电阻;Ci为放大器的输入电容。

1.2、电路结构:
  压电晶体受力的时候, 将会在晶体的两端产生大小相等,极性相反的电荷。为了充分利用压电传感器输出的电荷,增大电荷放大级输出信号幅值,提高系统对小信号的测量范围, 一些专家提出了单运放差动式电荷放大器,其电路原理如图 2 所示。
图2 单运放差动式电荷放大器电路原理

图2 单运放差动式电荷放大器电路原理
  这种电路采用了差动放大, 输出电压为运放同相端和反相端反馈电容上面的电压之和。 相比单端输入的电荷放大器, 该电路有部分电荷在同相端电容上面积累,输出信号幅值得到了增大。 但是,实际上由于压电传感器等效电容 Ca,连接电缆等效电容Cc(C=Ca+Cc)的影响,同相端电容的电荷累积作用很小,其实际电路模型如图 3 所示。
图3

1.3、测试结果:
  为了证明压电传感器等效电容对运放同相端电荷累积作用的影响, 用数字存储示波器测量 15mm口径涡街流量计中差动式电荷放大器在某一流量时同相端和输出端的电压信号, 分别如图 4 和图 5 所示。 可见,同相端输出电压约为 50m V,反相输出端电压约为 500m V。 显然,由于等效电容的影响,同相端电容的电荷累计作用对输出电压的贡献已经很小了。
图4 图5

1.4、模型仿真:
  在差动式电荷放大器中, 压电传感器输出到运放反相端的电荷,由于电容负反馈的作用,电荷信号基本上全部在反馈电容上积累, 可以得到反相端的放大倍数为 A1;输出到 运 放 同 相 端 的电荷 , 由 于 没有电容负反馈的作用, 电荷信号在压电传感器等效电容 Ca(大约 1000p F)[5],连 接电 缆 等 效 电 容 Cc,以及电容 Cf上积累,同相端的放大倍数为 A2。 由于压电传感器的等效电容相对电容 Cf非常大, 很显然A1>A2。 当压电传感器输出信 号 中 带 有 共 模 干扰 Qc时, 在反相端和同相端的反馈电容上将分别产生电压 Qc×A1和 Qc×A2,在 运 放 输出 端 产生 电 压 为 Qc×A1-Qc× A2的差模干扰。 电荷放大器的输入阻抗很高,极易受到外界干扰的影响,另外工业现场也存在各种干扰, 使得电荷放大器的输入信号中带有很多的共模干扰,进而变为差模干扰混杂在信号中。为了证明共模干扰对系统输出信号的影响,采用 Mlutisim 进行仿真, 来考核系统抗共模干扰的性能,如图 6 所示。
图6 单运放差式电荷放大电路共模干扰仿真模型
  其中:I1 和 I2 模拟压电传感器输出差分信号;I3 和I4 模拟压电传感器 输出 共 模 干扰 信 号 ;C5模拟传感器的等效电容、电缆电容之和。
  由于共模干扰的影响, 在差动式电荷放大器的输出信号中, 共模干扰变成叠加在有用信号上的噪声。 电容 Cf越小,连接电缆等效电容 Cc 和压电传感器等效电容 Ca 之和越大, 共模干扰产生的影响就越大。 在小流量测量时,信噪比变得更低,共模干扰显得更为严重,极大地限制了仪表的下限测量范围仿真结果如图 7 所示。
图7

2、三运放差分电荷放大器:
2.1、电路结构:

  所设计的一种三运放差分电荷放大器, 其电路原理如图 8 所示。
图8

  其 采 用 三 个 运 放 组 成 经 典 的 仪 用 放 大 器 结构[6]。 第一级由两个运放组成差分式的电荷放大器。相比以前的电荷放大器, 它采用了两个电容负反馈的回路, 压电晶体输出的电荷能够完全在反馈电容上积累,使得电荷放大器输出的信号幅值更大,更利于后级的信号处理。 第二级由一个运放组成差分到单端输出的电路。 为了提高这级电路的共模抑制能力,将电阻的参数选得完全一样,在它的反相端和输出端之间还和电阻并联了一个电容, 组成了一阶的低通滤波电路, 能够对涡街信号中混有的高频噪声进行衰减。

2.2、测试结果:
  针对三运放差分电荷放大器, 设计出相应的PCB 板,并与 15mm 口径的涡街传感器匹配,进行了气流量测量实验。通过实验,分别得到单个电容负反馈输出电压和三运放差分电荷放大器输出端的电压信号如图 9 和图 10 所示。
图9 图10

  可见, 三运放差分电荷放大器输出端的电压相比单个电容负反馈输出电压在幅值上有一定的增加, 而且对单个电容负反馈输出电压中含有的噪声进行了滤除,这更有利于后级信号的处理。由于单个电容负反馈输出电压中混有噪声信号, 信号幅值看上去略显偏大, 三运放差分电荷放大器对信号电压进行了滤波, 因此输出电压的幅值没有达到理论上单个电容负反馈输出电压的两倍关系。

2.3、模型仿真:
  为了证明三运放差分电荷放大器对输入信号中混有共模干扰的抑制作用,采用 Mlutisim 进行仿真,仿真模型如图 11 所示, 仿真结果如图 12 所示。 可见,由于电路采用差分的结构,共模干扰被完全抑制住了。
图 12
  在检测小流量时, 由于压电晶体的输出电荷量较小,电荷放大器的输出电压也小,加上后级信号处理电路放大滤波的阶数和增益有限,所以,很难对混有噪声的小信号进行脉冲整形或数字信号处理。 三运放差分电荷放大器能够完全利用压电晶体输出的电荷信号,增 大 小 流量 时 输出 信 号 幅 值 , 进 行放大滤波,从而改善对低速流体的测量性能,有助于扩展涡街流量计的量程比。
图11



3、结语:
  与单运放差动式电荷放大器相比, 三运放差分电荷放大电路能够更有效地提高小信号的输出幅值, 而且能够抑制和滤除信号中混有的噪声信号,提高涡街流量计对小信号的测量范围,对于扩展涡街流量计的量程比具有重要意义。 电路采用片上集成多个运放的芯片, 使得电路的成本和面积基本上没有增加, 适合对成本和体积敏感的仪表使用。

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