本课题设计的恒磁式电磁流量计转换器的主要功能是接受传感器感应电动势信号，排除各种干扰，并将信号进行放大，经a／d转换后成为标准的数字输出信号，提供给单片机做进一步的分析与处理。转换器的结构框图如图4．7所不o 仪信i电极信号sl卜-◆ 表号低射a 差反通极d 分—l◆ 滤跟c 相i电极信号s2卜一◆ 放放波随采器器样大大图4．7转换器的结构框图
4．3．1．1 前置放大电路
前置放大电路是测量电路中重要的部分之一，需要解决流量信号测量中的高输入阻抗和高共模抑制比及低噪声、高增益等问题。本课题采用具有高共模抑制比的仪表放大器inal28，inal28为bb公司生产的精密、低功耗仪表放大器。
仪表放大器是一种用来测量两个输入端之间的电位差，并以设定的增益对信号进行精密放大的专用增益模块，它是与传感器配合使用的重要放大器。其内部是三运放构成的并联同相差动放大结构，具体仪表差分放大电路的结构图如图4．8所示。图4．8仪表放大器原理图
运算放大器a1和a2构成级同相放大电路，a3构成第二级差分放大电路，其中a1、a2和a3均为高性能的运算放大器。待放大的信号v1和v2 分别接到a1和a2的同相端。如果忽略输入偏置电流，则有以下关系： ch鲁卜毒ⅵ ㈤， ％2 cl+到rw)一2苦v (4-2) vo 2鲁(vo-％)2鲁lh毫}](v％) (4-3) 因此，该电路的总增益为： ～2最2鲁ch蛩j ㈤
rw是调整放大倍数的外接电阻，是仪表放大器的关键部件，要具有较好的温度系数和温度一致性。它的精度及温度稳定性直接影响增益，对于放大器的总体性能有较大影响。仪表放大器具有良好的特性，高输入阻抗和高共模抑制比，偏置电流低，温度稳定性好，平衡的差动输入，单端输出，而且增益可由用户选择不同的增益电阻来确定，因而是一种高性能的放大器，适合于在大的共模电压下对微小差分信号进行放大。仪表放大器常用于热电偶、应变电桥、流量计量、生物测量以及其他有共模干扰、目．本质匕是直流缓变的微弱差分信号的放大场合【捌。
本课题采用的inal28的具体性能参数可参阅其数据手册。以inal28为主的前置放大电路有效解决了流量信号测量中的高输入阻抗和高共模抑制比以及低噪声、高增益等问题。本课题前置放大电路的放大倍数取为10。
4．3．1．2 主放大及滤波电路
传感器产生的流量信号经前置放大器阻抗转换、抑制共模干扰电压，转换为单端信号，其输出幅度仍然很低，不能直接进入到信号的采样和转换电路， 必须再次经过信号的放大。此外，测量电路及器件本身存在噪声以及外界电磁干扰、静电干扰等因素，信号中仍然可能含有多种频率成分的噪声。严重情况下，这些噪声信号会淹没真正的流量信号，使测量系统无法获取有用的流量信号。在这种情况下，需要采用滤波措施，将不需要的杂散信号抑制掉。直流极化电压在上一级的前置放大电路的差分中已经消除，而恒磁式电磁流量计没有励磁线圈，因此没有励磁频率的干扰。此时信号中的干扰主要是一些高频的噪声干扰，故选用低通滤波器。
实际的测量信号主放大及滤波电路见附录一。主放大电路采用超低功耗运算放大器op281，op281是adi公司生产的可单电源供电、轨对轨输出的高性能运放，而且其内部集成了两个性能一致的运放。op281的具体性能参数可参阅其数据手册。主放大电路使用了op281中的一个运放，采用反相型放大电路， 并取电路的放大倍数为30。这样流量信号在整个转换器电路的放大倍数为前置放大电路的放大倍数和主放大电路的放大倍数之积，即300倍。放大后的信号经过低通滤波器电路。低通滤波器在电路中的作用是让有用的低频信号顺利通过，并得以放大。而对于高频的、杂散无用的干扰信号，则有很大的衰减作用。可以通过的频率范围为通带，不能通过的频率范围为阻带。通带和阻带的界限频率称为截至频率。其频率特性用q值(品质因素)来衡量。q 值越高，灵敏度越高，频率选择特性越好，通带越窄。滤波电路分有源滤波和无源滤波。由rc网络组成的无源滤波电路结构简单，但是它的选择性差，带负载能力差；由集成运放和rc网络共同组成的滤波电路，由于集成运放是有源器件，属于有源滤波电路，具有选择性好、带负载能力强的特点。
根据被测信号的特点及上述分析，滤波电路选择了单位增益的二阶巴特沃斯有源低通滤波器，如图4．9所示。峪s s) 图4．9二阶有源低通滤波器电路具有同相输入结构，运算放大器采用op281中的另一个运放，运放接成电压跟随器的形式，直流输入电阻很高，输出电阻很低，具有很强的带负载能力。由于电路对于rc网络呈现很高的输入阻抗，因此，整个电路的选频特性基本上取决于rc网络。在此滤波电路中，r1=r2=10k，c1=c2=0．68心，则低通截止频率为兀2荔象≈23·4hz。
4．3．1．3 信号电平提升电路
由于微处理器c8051f410为单极性电源供电，因此其片内a／d转换器的电压输入也为单极性输入，即叽3．6v，而经放大和滤波后输出的流量信号为双极性信号，因此必须经过电平提升电路将信号转换为单极性信号，其电路图如图4．10所示。+3．6v 图4．10信号电平提升电路图此电平提升电路其实包括两部分，部分完成的功能是把输入信号加上3．6v后转换为的单极性信号；第二部分是运放的同相射极跟随器，用来隔离前面的信号放大电路和后面a／d转换电路，具有输入阻抗高、输出阻抗低的优点。这样就使最初输入的流量测量信号从±3．6v转换为单极性的啦3．6v，并和后面的同相射极跟随器一起，为接下来的a／d采样做好了准备。
4．3．1．4 a／i)转换电路
从放大滤波电路中得到的信号为模拟电压信号，但是mcu只能处理数字信号，所以必须通过a／d转换器(简称adc)电路将模拟信号转换为数字信号。因而，adc的选择非常重要，直接影响测量的准确度和精度。其主要性能指标包括分辨率、转换速度、转换精度等。按照工作原理，adc主要包括逐次逼近寄存器(sar)型、并行比较型、v／f转换型、双积分型和σ．△型等多种类型。其中，sar型模数转换器采样速率不高，输入带宽也较低，它的优点是原理简单，便于实现，不存在延迟问题，适用于中速率而分辨率要求较高的场合，其原理图如图4．11所示。输出图4．11 逐次逼近a／d变换器原理图图4．1 l中，模拟信号经采样后被保持在采样／保持单元中，它首先与地比较产生符号位，为使d／a变换器的输出为“o，对应为地，数据锁存器在采样时应该复位，使所有输出数据dodld2···dn为“0，其对应得d／a输出也为“0”。符号位do确定后，锁存器置dl为“l’’(注意，这里的dl是设置的)，这时d／a 的输入为d0100···0，d／a输出为do，对应象限满刻度值的一半，第二次比较是保持的模拟电压与d／a的输出之间进行的，比较器的输出去刷新dl的值。接着置d2为“1，模拟电压与dodll00·-·0的d／a变换后的值进行比较，产生d2位，·····．o如此进行下去，直到所有n位都产生为止。最后通过开关将锁存器中的数据输出到所需要的地方。
电磁流量转换器测量的信号是低速缓慢变化的，采样时间一般在几个到几十个毫秒，通常可以选用较低速a／d转换器。但是，由于电磁流量转换器需要宽量程和高精度，需要选择位数多的a／d转换器。考虑到性价比，本课题采用微处理器c8051f410内部自带的12位sar型a／d转换器adc0。adc0子系统集成了一个12位sar adc和一个27通道单端输入多路选择器，该adc可编程转换速率，转换速率为200ksps。adc系统包含一个可编程的模拟多路选择器，用于选择adc的输入，可编程为单端输入或差分输入。端no’2可以作为adc的输入；另外，片内温度传感器的输出和电源电压(vdd)也可以作为adc的输入；内部有电压基准，可通过编程来确定是1．5v或2．2v。用户固件可以将adc置于关断状态或使用突发模式以节省功耗。
本课题设计的系统中，adc0采用内部2．2v电压基准，工作在突发模式以节省功耗，并通过多路选择器实现对多路信号的a／d转换。在图4．7中，两个电极信号s1和s2经过仪表差分放大电路后，系统的共模信号受到充分抑制，包括极化电压信号，并获得电极信号中反映流体流量的感应电动势信号，对其进行放大、滤波，经过信号电平提升电路后进入同相射极跟随器，然后通过a／d采样，转换后的数字信号发送到单片机做进一步的分析与处理。--扩展阅读：开封中仪流量仪表有限公司专业生产电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计、文丘里流量计、v锥流量计、v型锥流量计、喷嘴流量计、插入式电磁流量计、智能电磁流量计、分体式电磁流量计、一体式电磁流量计、标准孔板流量计、标准孔板、一体化孔板流量计、标准喷嘴流量计、长径喷嘴流量计、标准喷嘴、长径喷嘴、插入式涡街流量计、智能涡街流量计、锥型流量计、v锥型流量计、节流装置、节流孔板、限流孔板等流量产品，更多有关电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计的信息请访问开封中仪网站：