高精度数字过采样与磁隔离在工业电磁流量计转换器的模拟前端电路的应用.docx

高精度数字过采样与磁隔离在工业电磁流量计转换器的模拟前端电路的应用李可（亚德诺半导体技术（上海）有限公司，上海201203）摘要：一种新型电磁流量计转换器方案显著简化以模拟信号处理为主的传统转换器电路。删除原有模拟带通放大和采样保持电路等，只保留第一级仪表放大器电路。较高速24比特模数转换器对放大器的输出进行采样。数字信号处理器在数字域内同步解调交流信号、滤除尖峰和噪声。磁隔离技术的数字隔离器芯片替代传统光耦。新方案比传统方案在电路面积、功耗、物料成本有明显改进。原理样机在标定试验中达到良好精度。关键词：电磁流量计；高精度；模数转换器；数字信号处理器；磁隔离技术；1前言自从20世纪50年代工业电磁流量计产品问世以来，随着电子技术和计算机技术的飞速发展，电磁流量计已经日趋成熟和完善。电磁流量计因其口径范围宽，量程大，精度高，无压力损失，可靠性高等优点，在工业领域得到广泛应用1。电磁流量计由电磁流量传感器和电磁流量转换器组成。电磁流量传感器的输出信号幅值很微小，通常在微伏到若干毫伏之间。工业电磁流量计的转换器的模拟信号处理电路通常包括前置放大，后级放大，带通滤波，采样保持，模数转换等。当前常用的低频矩形波励磁的传感器激励方式，要求电磁流量转换器能够把被调制的传感器输出解调为直流信号。传统的转换器电路结构较复杂，使用的元器件数量较多，占用较多的电路板空间。我们开发了一种新型电磁流量计转换器方案，显著简化了传统的信号处理电路，删除了模拟带通放大、采样保持电路等。我们的方案只保留第一级仪表放大器电路，采用较高速的模数转换器AD7175-2对仪表放大器的输出进行采样，在数字域内重建流速信号波形、同步解调交流信号、滤除尖峰和噪声，计算得到流速信号。电磁流量传感器激励电路，又叫做励磁电路，需要与信号放大调理电路隔离。传统的转换器常用光耦隔离和线性稳压源。我们开发的方案中采用iCoupler数字隔离器ADuM7440和开关模式同步降压芯片ADP2441、ADR5040基准电压源，配合集成场效应管H桥芯片组成励磁电路，显著的减少了电路板占用面积。2模拟前端电路方案电磁流量计的工作原理是法拉第电磁感应定律。根据法拉第电磁感应定律，导电流体流过传感器工作磁场时，在测量管壁与流动方向和磁场方向相互垂直的一对电极间，产生与体积流量成比例的电动势。电动势的大小可表示为E=kBDv。其中E是感应信号电势，k是常数，B是磁感应强度，D是测量管内径，v是测量管内电极断面轴线方向平均流速。电磁流量传感器的灵敏度通常为150微伏/(米/秒)到200微伏/(米/秒)，因为调制励磁电流的换向，传感器的输出信号幅值加倍1。对0.1米/秒到15米/秒流速的量程范围，传感器输出信号幅值在30微伏到46毫伏之间。传统的工业电磁流量计的转换器的模拟信号处理电路通常包括前置放大，后级放大，带通滤波，采样保持，模数转换等。常规的电磁流量计转换器电路的信号处理通常如下图1。微伏到毫伏级的传感器输出信号首先被仪表放大器的放大。既要尽可能多的放大有用信号，又要避免共模电压造成放大器输出饱和，第一级仪表放大器的放大倍数通常设定为不大于10倍。接着使用带通滤波器把信号进一步放大几十倍到伏级。放大的信号经过微处理器控制的采样保持电路滤除尖峰，变成直流信号送入模拟数字转换器。电磁流量传感器常见使用低频矩形波励磁。信号调理电路与励磁电路之间通过光耦隔离。总线侧的4-20毫安电流输出，频率脉冲输出，报警输出等也通过光耦隔离。图1采用传统信号调理方式的电磁流量计转换器电路我们开发了一种新型电磁流量计转换器方案，显著简化了传统的信号处理电路，删除了模拟带通放大、采样保持电路等。该方案只保留第一级仪表放大器电路，这里采用场效应管输入级的轨到轨输出仪表放大器AD8220。它采用紧凑的MSOP封装，具有100dB共模抑制比，10pA最大输入偏置电流，噪声转折频率典型值仅为10 Hz。第一级仪表放大器的增益设定为10倍。假设电磁流量传感器的灵敏度是150微伏/(米/秒)，那么经过AD8220后的0.1米/秒，1米/秒，15米/秒流速的信号幅值就被分别放大为0.3毫伏，3毫伏和45毫伏。与传统的电磁流量转换器电路不同的地方是，我们的方案没有对第一级仪表放大器输出信号做进一步的模拟信号调理，而是使用较高速的模数转换器AD7175-2对仪表放大器的输出进行直接采样。AD7175-2是双通道、24比特、250kSPS采样率、片内集成轨到轨输入缓冲器的模数转换器，支持真差分、伪差分和单端输入。我们的方案只使用AD7175-2的一个差分输入通道，并平衡获取足够数量的样点以重建波形和降低电路功耗的考虑，其采样率被设为31.25kSPS。该模数转换器在31.25kSPS和使用内部Sinc5加Sinc1滤波器条件下，量化峰峰值噪声是221微伏，折算到10倍增益的第一级放大器输入端是22微伏。这看似淹没了0.1米/秒流速情况下电磁流量传感器的信号输出，并且31.25kSPS对于流速计算结果输出的有效刷新率而言也远远超出需求。31.25kSPS的采样率在一个励磁周期内（以1/8工频为例）可以提供多达5000个模数转换样点。除去磁场换向产生的瞬态区间，至少还有四千多个样点供流速计算处理。有这样多的样点数量，我们可以使用数字滤波器把模数转换样点的数据率降低到例如5赫兹，模数转换器的量化噪声也就随之衰减至4.95微伏，折算到10倍增益的第一放大器输入端仅0.5微伏，折合3毫米/秒的流速分辨率。图2使用高精度数字过采样的电磁流量计转换器电路模数转换器得到的信号样点波形是脉动的，需要在数字域内重建流速信号波形、同步解调交流信号、滤除尖峰和噪声，计算得到流速信号。我们的方案使用了一片工作在400兆赫兹主频的ADSP-BF504F数字信号处理器，它属于Blackfin处理器家族中的BF50x系列，具有4M字节片内闪存，68k字节片内静态随机存储器，8个32比特脉宽调制输出定时器，2组串行总线接口，2路串行异步收发器，以及35个通用输入输出口等适合该方案的资源。图3解释了我们的方案如何完成在数字域内的同步解调。ADSP-BF504F输出一对在逻辑上互补的电磁流量传感器线圈的驱动控制脉冲信号1和2。在这一对信号的控制下，流过电磁流量传感器线圈的电流实现换向，测量管段内的工作磁场方向和电磁流量传感器电极输出的信号也随之反转。以第n个周期为例，数字信号处理器把从模数转换器得到的信号样点按照线圈驱动控制脉冲的逻辑状态分组暂存为静态随机存储器里的两个数组。即正向励磁半周时采到的样点按时间排序存为一组，负向励磁半周时采到的样点按时间排序存为另一组。去除电流换向的瞬态和信号建立稳定的少部分波动样点，余下的样点分别进入一个有限冲激响应的低通数字滤波器被滤波。该滤波器的截止频率被设置在20赫兹，可以让有用的信号通过的同时衰减高频噪声和工频干扰。经过滤波的正向和反向数据样点分别被平均各得到一个正向和反向励磁半周的信号平均值，然后把这两个平均值相减得到与流速成比例的信号值。该数值的量纲是LSB/(米/秒)。该数值除以电路硬件的增益、模数转换器的标尺、电磁流量传感器的灵敏度即可计算出米/秒流速值。与传统的模拟信号处理为主的方案相比，该部分电路面积、功耗降低约一半，电子线路噪声降低约20%，物料成本减少约30%。图2 流量信号同步解调示意3励磁电路方案电磁流量传感器激励电路，又叫做励磁电路，需要与信号放大调理电路隔离。通常等级一千伏的基本隔离就足够。传统的电磁流量转换器常用光耦隔离。我们开发的方案中采用iCoupler磁隔离四通道数字隔离器ADuM7440来实现隔离。ADuM7440数字隔离器隔离器结合了高速CMOS和单片空芯变压器技术，提供四个独立的隔离通道，采用小型16引脚QSOP封装，比SOIC宽体封装节省近70%的电路板空间，比光耦器件封装尺寸更小，功耗更低，满足诸如UL和CSA标准等法规需求。ADuM7440的供电电压范围在任何一侧均为3.0V至5.5V，可提供与低压系统的兼容，并可实现通过隔离屏障的电平转换功能。开关模式同步降压芯片ADP2441、ADR5040基准电压源，配合集成场效应管H桥芯片组成励磁电路。如图2所示ADP2441 被配置为恒流源输出模式。ADR5040输出1.2伏基准电压被分压得到150毫伏的参考电压。该电压连接到ADP2441的电压跟踪管脚，使其反馈管脚上的电压也变成150毫伏。如果在反馈管脚接一0.6欧姆的电流设定电阻，则ADP2441就会输出电流调整到250毫安。通过改变接在电流设定电阻值即可改变恒流源电流的大小。更低的参考电压可以降低在电流设定电阻上的功耗。与传统变送器常用光耦、线型恒流源、插件封装的场效应管的方案相比，我们的方案节省约80%以上的电路面积。总线输出侧的4到20毫安电流和频率脉冲输出电路的隔离使用了iCoupler系列的ADuM7441和ADuM7240实现一千伏基本隔离。4试验结果我们方案配合25mm和50mm口径的电磁流量传感器在常温水的标定试验中，使用6.25赫兹励磁频率，在0.5米/秒到2米每秒的流速范围内，基本误差达到+/-0.2%读数。测试数据详见表1和表2。表1. 使用高精度数字过采样方案的标定测试结果50mm口径表2. 使用高精度数字过采样方案的标定测试结果25mm口径4结论我们开发的新型电磁流量计转换器方案显著简化了传统的信号处理电路，改进了励磁电路，大大减少了电路板面积，降低了功耗和物料成本。原理样机在实验室测试中达到了0.2%读数测量精度。该方案具有优秀的性能和良好的性价比，值得电磁流量计厂家和用户做进一步评估和技术开