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

　　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趋向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进行滤波。该滤波器的截止频率设置为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进行求平均运算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。与传统的以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%。

2 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，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，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就会调整输出电流到250毫安。通过改变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。

3 试验结果

　　配合25mm和50mm口径的电磁流量传感器，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，本文设计方案基本误差达到+/-0.2%读数。测试数据详见表1和表2。

4 结论

　　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发。

参考文献：

　　[1] 蔡武昌，马中原，瞿国芳，等，电磁流量计 [M]。北京：中国石化出版社, 2004：4-8