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  時間:2022-5-31 08:30:58

渦街流量計前置放大電路噪聲分析

摘要:渦街流量計測量阻流體時物理信號動態范圍大,尤其在測量弱信號時易受噪聲影響,因此其前置放大電路性能必須充分考慮電路本底噪聲因素。分析了φ50型號氣體渦街流量計前置放大電路的系統噪聲組成,對電路噪聲進行分析、計算,得出理論上的電路本底等效噪聲值為4.59μV。利用Multisim14.0作為仿真環境進行測試驗證,表明利用此電路可檢測10μV以上的信號。提出的電路設計為實際電路優化提供了理論參考依據。
引言.
  渦街流量計在計量領域具有廣泛的應用場景。目前,若要利用渦街流量計實現精密測量,還需要處理本底噪聲問題,因為它是影響測量精度的最主要因素。
  本文針對上述問題,首先基于中50型號氣體渦街流量計的前置放大電路進行分析,將復雜的電路等效成簡化電路;接著在特定渦街流量計前置放大電路的基礎上,對前置放大器進行噪聲量化計算;最后基于噪聲影響情況,進行精度測量模擬仿真實驗,證實理論計算結果的可靠性。結果顯示:噪聲測量、算法和精度測試,能夠為實際電路測量中渦街流量計的性能改善提供理論參考。
1渦街流量計計量原理
  渦街流量計的原理是在氣體或液體等流體中安置阻流體,流體在經過阻流體時會交替產生兩串規則的旋渦(這種旋渦稱為“卡門渦街”),旋渦頻率被壓力傳感器檢測到后,利用流量Q與頻率f的關系式測量流體的流量,即
Q=f/K
  其中,K是流量計的流量系數,可看作固定常數。
2前置放大電路噪聲分析
  本文選取了最典型的中50型號氣體渦街流量計的前置放大電路作為特定樣本對噪聲進行分析。系統噪聲包括電路內部產生的噪聲(也稱固有噪聲),也包括電路外部的干擾噪聲。前置放大器的固有噪聲主要包括電阻熱噪聲、集成運算放大器自身的等效噪聲。本章主要對渦街流量計系統電阻熱噪聲、運算放大器自身的等效噪聲進行分析,外部干擾噪聲不在討論范圍之內。
2.1熱噪聲原理
(1)電阻熱噪聲:主要由電子的隨機熱運動引起,產生噪聲電壓。電阻兩端產生的熱噪聲電壓有效值E,滿足
Q=f/K
  其中,k一玻爾茲曼常數;T一電阻的絕對溫度;R一電阻的阻值,Ω;B一信號帶寬。
注:在室溫下(17或290K),4kT≈1.6x10-20V2/(Hz.Ω)。.
(2)阻容并聯的熱噪聲:為了限制頻帶寬度,有時要在電阻兩端連接電容。在阻容并聯的情況,電路中開路的熱噪聲有效值E10為
 
  其中,C-并聯電容。
  可以證明,無源元件的任意連接所產生的熱.噪聲等同于等效網絡阻抗的實部電阻所產生的熱噪聲。
2.2運算放大器自身等效噪聲分析
  運算放大器的噪聲模型也可以用等效噪聲模型替代。圖1所示為含噪放大器的電路圖,圖2為噪聲等效電路。其中,es是被測信號電壓,Rs是信號源的輸出電阻,e1是電阻熱噪聲等效的噪聲電壓源,en和in分別是放大器自身的等效噪聲電壓源和電流源。
  設et,en和in互不相關,噪聲電流源可以轉化為電壓源inRs,其有效值的平方表示為
 
3前置放大電路噪聲計算分析
  因不同電路的需求不同,設計一個電路往往也需要具有一些其他功能,例如去除直流偏置、抑制共模信號等。本章對該電路進行合理的簡化,以更方便地計算噪聲,并對噪聲進行等效分析與計算。
 
3.1前置放大器電路分析
  渦街流量計前置放大電路如圖3所示。在該電路設計中,采用了SGM8532芯片,利用電路的對稱性和負反饋作用,有效地穩定靜態工作點,以放大差模信號,抑制共模信號。在J2,R,1和R2的電路中,交流信號可以順利通過①、②,而直流信號因受到C3、C4的影響只能走J1,R1和R2的環路,使得兩條通路的直流信號電位相同,去除了直流偏置。在對稱環路中,為了計算方便,我們將③等效成地。
  簡化后的電路圖和等效噪聲電路圖分別如圖4和圖5所示。
 
3.2噪聲估算
  由式(2)可知R3和R4串聯所產生的熱噪聲為Et=2.65×10-7V;
  由式(3)可知阻容并聯所產生的熱噪聲為
E10=4.47×10-6V。
  圖6所示為SGM8532芯片手冊的部分片段,由
  圖6及式(5)可得En=1-04×10-6V。
  由公式(4)可知,該電路輸出的噪聲有效值為
 
  因此,理論上該電路可以檢測大于10μV(大于噪聲6dB以_上)的微弱信號。
4仿真結果驗證
  本章利用Multisim14.0作為仿真環境,其自帶的噪聲源可以使仿真結果更加準確。放大器為理想放大器,V為該放大器等效噪聲源,確保噪聲的準確性。
  電路仿真結果如圖7所示。由仿真結果可以看出,在總的噪聲中,V(p-p)大概為2~8μV,與實際.結果相差不大,在同一量級。實際噪聲稍微小,可能是輸出頻率比理論值略小導致的。
5結束語
  本文首先簡要介紹了渦街流量計原理及構.成,然后著重分析了渦街流量計前置放大電路的各種噪聲及公式,并以典型的φ50型號氣體渦街流量計的前置放大電路作為特定樣本,在建立噪聲模型的基礎.上,簡單、有效地計算得到了渦街流量計前置放大電路的噪聲。通過對電路進行仿真驗證,佐證了理論計算的有效性。該電路可以.測量大于10μV的渦街信號,為后續實測及電路優化提供理論參考依據。

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