高精度數(shù)字過采樣與磁隔離在工業(yè)電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器的模擬前端電路的應(yīng)用

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到的信號(hào)樣點(diǎn)波形是脈動(dòng)的，需要在數(shù)字域內(nèi)重建流速信號(hào)波形、同步解調(diào)交流信號(hào)、濾除尖峰和噪聲，計(jì)算得到流速信號(hào)。我們的方案使用了一片工作在400兆赫茲主頻的ADSP-BF504F數(shù)字信號(hào)處理器，它屬于Blackfin處理器家族中的BF50x系列，具有4M字節(jié)片內(nèi)閃存、68k字節(jié)片內(nèi)靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器、8個(gè)32比特脈寬調(diào)制輸出定時(shí)器、2組串行總線接口、2路串行異步收發(fā)器，以及35個(gè)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(shù)字域內(nèi)的同步解調(diào)。ADSP-BF504F輸出一對(duì)在邏輯上互補(bǔ)的電磁流量傳感器線圈的驅(qū)動(dòng)控制脈沖信號(hào)1和2。在這對(duì)信號(hào)的控制下，流過電磁流量傳感器線圈的電流實(shí)現(xiàn)換向，測(cè)量管段內(nèi)的工作磁場(chǎng)方向和電磁流量傳感器電極輸出的信號(hào)也隨之反轉(zhuǎn)。以第n個(gè)周期為例，數(shù)字信號(hào)處理器把從模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到的信號(hào)樣點(diǎn)按照線圈驅(qū)動(dòng)控制脈沖的邏輯狀態(tài)分組暫存為靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器里的兩個(gè)數(shù)組。即正向勵(lì)磁半周時(shí)采到的樣點(diǎn)按時(shí)間排序存為一組，負(fù)向勵(lì)磁半周時(shí)采到的樣點(diǎn)按時(shí)間排序存為另一組。去除電流換向的瞬態(tài)和信號(hào)趨向穩(wěn)定的少部分波動(dòng)樣點(diǎn)，余下的樣點(diǎn)分別進(jìn)入一個(gè)有限沖激響應(yīng)的低通數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波。該濾波器的截止頻率設(shè)置為20赫茲，可以讓有用的信號(hào)通過的同時(shí)衰減高頻噪聲和工頻干擾。經(jīng)過濾波的正向和反向數(shù)據(jù)樣點(diǎn)進(jìn)行求平均運(yùn)算各得到一個(gè)正向和反向勵(lì)磁半周的信號(hào)平均值，然后把這兩個(gè)平均值相減得到與流速成比例的信號(hào)值。該數(shù)值的量綱是LSB/(米/秒)。該數(shù)值除以電路硬件的增益、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的標(biāo)尺、電磁流量傳感器的靈敏度即可計(jì)算出米/秒流速值。與傳統(tǒng)的以模擬信號(hào)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(lì)磁電路方案

　　電磁流量傳感器激勵(lì)電路又叫做勵(lì)磁電路，需要與信號(hào)放大調(diào)理電路隔離。通常等級(jí)一千伏的基本隔離就足夠。傳統(tǒng)的電磁流量轉(zhuǎn)換器常用光耦隔離。我們開發(fā)的方案中采用iCoupler磁隔離四通道數(shù)字隔離器ADuM7440實(shí)現(xiàn)隔離。ADuM7440數(shù)字隔離器隔離器結(jié)合了高速CMOS和單片空芯變壓器技術(shù)，提供四個(gè)獨(dú)立的隔離通道，采用小型16引腳QSOP封裝，比SOIC寬體封裝節(jié)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(biāo)準(zhǔn)等法規(guī)需求。ADuM7440的供電電壓范圍在任何一側(cè)均為3.0V至5.5V，可提供與低壓系統(tǒng)的兼容，并可實(shí)現(xiàn)通過隔離屏障的電平轉(zhuǎn)換功能。

　　開關(guān)模式同步降壓芯片ADP2441、ADR5040基準(zhǔn)電壓源，配合集成場(chǎng)效應(yīng)管H橋芯片組成勵(lì)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(zhǔn)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(shè)定電阻，則ADP2441就會(huì)調(diào)整輸出電流到250毫安。通過改變電流設(shè)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(shè)定電阻上的功耗。與傳統(tǒng)變送器常用光耦、線型恒流源、插件封裝的場(chǎng)效應(yīng)管的方案相比，我們的方案節(jié)省約80%以上的電路面積。總線輸出側(cè)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(shí)現(xiàn)一千伏基本隔離。

3 試驗(yàn)結(jié)果

　　配合25mm和50mm口徑的電磁流量傳感器，常溫水的標(biāo)定試驗(yàn)中，使用6.25赫茲勵(lì)磁頻率，在0.5米/秒到2米每秒的流速范圍內(nèi)，本文設(shè)計(jì)方案基本誤差達(dá)到+/-0.2%讀數(shù)。測(cè)試數(shù)據(jù)詳見表1和表2。

4 結(jié)論

　　新型電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器方案顯著簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的信號(hào)處理電路，改進(jìn)了勵(lì)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(jī)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中達(dá)到了±0.2%讀數(shù)測(cè)量精度。該方案具有優(yōu)秀的性能和良好的性價(jià)比，值得電磁流量計(jì)廠家和用戶做進(jìn)一步評(píng)估和技術(shù)開發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

　　[1] 蔡武昌，馬中原，瞿國(guó)芳，等，電磁流量計(jì) [M]。北京：中國(guó)石化出版社, 2004：4-8