涡街流量计前置放大电路噪声分析-w88com优德-【优德手机版】

摘要:涡街流量计测量阻流体时物理信号动态范围大，尤其在测量弱信号时易受噪声影响，因此其前置放大电路性能必须充分考虑电路本底噪声因素。分析了φ50型号气体涡街流量计前置放大电路的系统噪声组成，对电路噪声进行分析、计算，得出理论上的电路本底等效噪声值为4.59μV。利用Multisim14.0作为仿真环境进行测试验证，表明利用此电路可检测10μV以上的信号。提出的电路设计为实际电路优化提供了理论参考依据。
引言.
　　涡街流量计在计量领域具有广泛的应用场景。目前，若要利用涡街流量计实现精密测量，还需要处理本底噪声问题，因为它是影响测量精度的最主要因素。
　　本文针对上述问题，首先基于中50型号气体涡街流量计的前置放大电路进行分析，将复杂的电路等效成简化电路;接着在特定涡街流量计前置放大电路的基础上，对前置放大器进行噪声量化计算;最后基于噪声影响情况，进行精度测量模拟仿真实验，证实理论计算结果的可靠性。结果显示:噪声测量、算法和精度测试，能够为实际电路测量中涡街流量计的性能改善提供理论参考。
1涡街流量计计量原理
　　涡街流量计的原理是在气体或液体等流体中安置阻流体，流体在经过阻流体时会交替产生两串规则的旋涡(这种旋涡称为“卡门涡街”)，旋涡频率被压力传感器检测到后，利用流量Q与频率f的关系式测量流体的流量，即
Q=f/K
　　其中，K是流量计的流量系数，可看作固定常数。
2前置放大电路噪声分析
　　本文选取了最典型的中50型号气体涡街流量计的前置放大电路作为特定样本对噪声进行分析。系统噪声包括电路内部产生的噪声(也称固有噪声)，也包括电路外部的干扰噪声。前置放大器的固有噪声主要包括电阻热噪声、集成运算放大器自身的等效噪声。本章主要对涡街流量计系统电阻热噪声、运算放大器自身的等效噪声进行分析，外部干扰噪声不在讨论范围之内。
2.1热噪声原理
(1)电阻热噪声:主要由电子的随机热运动引起，产生噪声电压。电阻两端产生的热噪声电压有效值E,满足
Q=f/K
　　其中，k一玻尔兹曼常数;T一电阻的绝对温度;R一电阻的阻值,Ω;B一信号带宽。
注:在室温下(17或290K)，4kT≈1.6x10-20V2/(Hz.Ω)。.
(2)阻容并联的热噪声:为了限制频带宽度，有时要在电阻两端连接电容。在阻容并联的情况，电路中开路的热噪声有效值E10为

　　其中，C-并联电容。
　　可以证明，无源元件的葁88com优德饬铀娜�.噪声等同于等效网络阻抗的实部电阻所产生的热噪声。
2.2运算放大器自身等效噪声分析
　　运算放大器的噪声模型也可以用等效噪声模型替代。图1所示为含噪放大器的电路图，图2为噪声等效电路。其中，es是被测信号电压，Rs是信号源的输出电阻，e1是电阻热噪声等效的噪声电压源，en和in分别是放大器自身的等效噪声电压源和电流源。
　　设et,en和in互不相关，噪声电流源可以转化为电压源inRs，其有效值的平方表示为

3前置放大电路噪声计算分析
　　因不同电路的需求不同，设计一个电路往往也需要具有一些其他功能，例如去除直流偏置、抑制共模信号等。本章对该电路进行合理的简化，以更方便地计算噪声，并对噪声进行等效分析与计算。

3.1前置放大器电路分析
　　涡街流量计前置放大电路如图3所示。在该电路设计中，采用了SGM8532芯片，利用电路的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点，以放大差模信号，抑制共模信号。在J2，R,1和R2的电路中，交流信号可以顺利通过①、②，而直流信号因受到C3、C4的影响只能走J1,R1和R2的环路,使得两条通路的直流信号电位相同，去除了直流偏置。在对称环路中，为了计算方便，w88com优德将③等效成地。
　　简化后的电路图和等效噪声电路图分别如图4和图5所示。

3.2噪声估算
　　由式(2)可知R3和R4串联所产生的热噪声为Et=2.65×10-7V;
　　由式(3)可知阻容并联所产生的热噪声为
E10=4.47×10-6V。
　　图6所示为SGM8532芯片手册的部分片段，由
　　图6及式(5)可得En=1-04×10-6V。
　　由公式(4)可知，该电路输出的噪声有效值为

　　因此，理论上该电路可以检测大于10μV(大于噪声6dB以_上)的微弱信号。
4仿真结果验证
　　本章利用Multisim14.0作为仿真环境，其自带的噪声源可以使仿真结果更加准确。放大器为理想放大器，V为该放大器等效噪声源，确保噪声的准确性。
　　电路仿真结果如图7所示。由仿真结果可以看出，在总的噪声中，V(p-p)大概为2~8μV,与实际.结果相差不大，在同一量级。实际噪声稍微小，可能是输出频率比理论值略小导致的。
5结束语
　　本文首先简要介绍了涡街流量计原理及构.成，然后着重分析了涡街流量计前置放大电路的各种噪声及公式，并以典型的φ50型号气体涡街流量计的前置放大电路作为特定样本，在建立噪声模型的基础.上，简单、有效地计算得到了涡街流量计前置放大电路的噪声。通过对电路进行仿真验证，佐证了理论计算的有效性。该电路可以.测量大于10μV的涡街信号，为后续实测及电路优化提供理论参考依据。

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