电磁流量计放大滤波电路的设计

　　1　问题的提出

　　在精密测量系统中,如果待测信号为几十微伏至1 mV左右的交流信号,且信号的频率与50Hz工频相近时,放大电路的设计难度会很大。原因在于如果要用滤波电路滤除50 Hz工频干扰,则有用信号也会被滤除。而要放大几十微伏的小信号,放大器的放大倍数通常都在5 000~10 000倍范围内,所以工频干扰信号也被不加抑制地放大了,并且要比有用信号的幅度大得多。同时被放大的还有一些不规则的交流干扰信号。而这些干扰信号互相迭加起来的幅值要比有用的信号大十几倍到二十几倍。常规的数据采集电路中使用双积分式A/D转换器采集数据,然　　后进入单片机,再用数字滤波算法对数据进行处理。用双积分A/D转换器的优点是众所周知的,它可以滤除50 Hz工频干扰,条件是采样时间应严格为20ms的整数倍。而工频干扰也应是严格的50Hz正弦交流信号。但现场的干扰信号是十分复杂的,以上这两个条件都不一定能严格满足,特别是当干扰波形中含有其它频率的信号时,双积分A/D转换器对交流干扰的抑制作用就会下降。当干扰信号幅度远远大于有用信号时,双积分A/D转换器的抗干扰效果也会明显变差。

　　在采集程序中,用软件滤波的方式虽然可以提高滤波效果,但滤波时间较长,这是因为双积分A/D转换器采集速度慢,而滤波程序通常要十几个数据到几十个数据才能有较好的滤波效果。因此,不能完全依靠软件滤波,必须要用硬件电路和软件控制相结合的办法解决滤波问题。

　　2　设计思想

　　电磁流量计是需要激磁的,目的是产生与导电液体流速成正比的电信号。同时激磁必须是双向的,为的是消除电极两端因单向激磁产生极化现象。被测信号的波形如图1所示。

　　信号是以对称方波脉冲的形式出现的。脉冲的宽度T为40ms,一个周期为160 ms,T选择的太大会给阻容耦合带来困难。脉冲的占空比为0.5,也可以更小。脉冲的幅度正比于液体的流　　速。当液体流速v =0.3 m/s时,脉冲幅度只有60μV。此时的量程下限为v =0.05 m/s,对应的脉冲幅度约为10μV,放大器的放大倍数选为5 000。

　　从示波器上可以观察到干扰信号的幅度大约为0.5 V,而有用的脉冲信号的下限值为10μV×5 000=50mV,如不仔细观察是分辨不出有用信号的。为了将方波脉冲保留而将工频干扰滤除,作者设计出这样一种电路,可以将有用信号从干扰中选出来。电路原理如图2所示。

　　从图2中可以看出,由A1,A2,A3所组成的放大电路为一个典型的高输入阻抗的双端输入、单端输出的交流放大电路。由A4,A5所组成的放大电路为一个高输入阻抗的双端输入、单端输出的直流放大电路。K1,K2采用模拟开关CD4052。这是一个双路四通道的模拟开关。电路中的两个开关是同步的。R是滤波电阻,C1,C2是两只容量相同的滤波电容。