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涡街流量计的低噪声信号采集系统的设计
发布日期:2017-9-11 6:57:18

 微型气体涡街流量计用于检测微小气体流量,在精密半导体、微型色谱系统、反应装置系统以及真空镀膜等领域有着广泛的应用。这种仪器的特点在于能监测到微小的流量变化,如分辨率达0.01ml/min的流速变化,这就要求相关联的信号采集系统具有相应的高分辨能力,因此,研制低噪声水平的超高分辨率信号采集系统就显得尤为重要。本文利用超低偏置电流放大芯片LMP7721,辅以Guard环保护技术,再配合BB公司的4通道24位A/D转换器ADS1211,设计满足微型气体涡街流量计需要的超高分辨率、低噪声的信号采集系统。
总体设计

    微型气体涡街流量计的系统组成如图1所示,流量传感器原理如图2所示,气体先后经过流量计的2只热敏电阻器,由于气流对两热敏电阻器的热损耗不同,从而造成电桥不平衡,输出一个与气体流速相关的弱电压信号。该弱电压信号经高精度运放放大到一定幅度后,再经高分辨率A/D转换器与MCU处理、运算后,即可反演出对应的流速值,测量结果可由LCD显示,或通过串口等通信接口在上位机显示实时的测量曲线。

    1.1 放大电路设计

    选用的放大器件为NI公司的极低偏置运放LMP7721,该运放具有不超过20fA的偏置电流和26μV的偏置电压,且温度特性良好(<1.5μV/°C);而不超过2mA的额定电源电流使其适用于便携式应用。目前,LMP7721在光电测量、生化检测等弱信号检测领域得到了广泛的应用。

    与普通的运放一样,LMP7721可以方便地配置成同相或反相放大模式,但是与普通的运放相比,由于输入信号太微弱(μV级),输入端的漏电保护就显得格外重要。漏电流的产生往往与PCB板的不清洁有关。由于油污、潮湿等原因,使得PCB的电阻率降低,此时板上其他位置与输入端之间的电位差就会产生漏电流,这种漏电流在很多弱信号检测的应用中是不可忽略的。为了避免这种干扰,可以采用Guard方法,其基本原理就是在敏感的引脚外围设置保护环,并且保护环的偏置电压与敏感引脚的偏置电压相同,这样漏电流就会通过保护环流向模拟接地端,而不会对输入产生干扰。例如:对于反相和跨阻放大器(如光电检测器),可以将保护环连接到同相输入引脚VIN,如图3所示,这将使保护环偏置为与运放的基准电压:相同的电压。类似的,同相放大器将保护环连接到反相输入引脚VIN-,这将使保护环偏置为共模输入电压。LMP7721的保护环可以设置成图4所示的形状,图中U1为LMP7721的焊盘,LMP7721的管脚封装将同相反相输入端都置于左侧,使得保护环很容易设计,如图中大环内的小环所示。大环则将反馈电阻器、电容器等敏感元件全部包含在其中,屏蔽了可能的干扰,进一步保证了系统的性能。

    1.2 高分辨率A/D转换器

    涡街流量计设计高精度信号采集系统,必须对采集到的电压信号进行高精度的A/D转换,本文采用BB公司的4通道24bit高精度A/D转换器ADS1211。ADS1211为Delta-Sigma型A/D转换器,1000Hz采样率以内拥有20位以上的有效分辨率;片内可编程放大器提供1~16倍的增益,能够满足不同量程的采集需要;内置三阶数字滤波器提供类似前端模拟滤波器的抗混叠功能;同时外部控制器可通过设置片内寄存器进行多种校准。当输入量程为5V时,采样分辨率理论值达到5000/220≈0.005mV。

    在布线时为了避免数字电源的噪声对模拟部分的干扰,最好采用双电源;必须采用单电源时,可在模拟与数字供电端之间接入10Ω电阻器,与去耦电容器一同起到滤波作用。同样的,模拟地和数字地也应该分别铺设,单点连接。

    1.3 电源与布线

    信号采集系统的电源噪声大致来自于各模块的供电电源、电源转换芯片以及数字电源对模拟电源的干扰,其中,以数字电源对模拟电源的干扰最为突出,产生的噪声典型值高达20mV。为了减弱这类噪声,除了选用低噪声的电源转换器件与干电池电源外,应尽可能对模拟和数字部分单独供电,如必须采用一个电源,则应将模拟和数字供电端之间利用电感器加以隔离。

    影响信号采集系统噪声的另一个主要因素是印刷电路板的布局布线,不合理的布局布线会带来至少几个mV的噪声,因此,必须进行科学合理的布局布线。首先,应尽量将模拟器件和数字器件分开布局;其次,电源线应有足够的宽度,以保证较低的分布电阻和电感;再次,同一块印制电路板,模拟部分和数字部分的地层应分开铺设,再通过磁珠单点连接;最后,由于参考电压通常对地电平的波动很敏感,因此,应该从电源线中分离出来,直接接到印制电路板的参考电压输入端,并且它的地线应该独立地连接到设备中一个稳定的参考地端。

    2 实验测试

    2.1 工频与空间电磁干扰

    50Hz工频与空间电磁干扰会给微弱信号采集系统带来很大的噪声。为了减弱此种噪声,需要进行PCB板双面覆铜,输入信号接地屏蔽以及电磁屏蔽整个采集系统,图5为抑制外界空间电磁干扰的对比实验结果,输入信号为信号发生器生成的峰—峰值20mV的正弦信号。很明显,加上电磁屏蔽后,很好地抑制了工频与空间电磁干扰给信号采集系统带来的噪声。

    2.2 噪声水平测试

    利用设计的信号采集系统对直流信号进行噪声测试,如图6所示。从图中可以看出:所设计的信号采集系统噪声小于50μV,满足高分辨率、超低噪声的信号采集需要。

    2.3 小信号采集实验

    为了验证设计的信号采集系统对微弱信号的采集效果,本文对信号发生器产生的小信号进行了采集。测试条件:金属盒屏蔽外界电磁干扰,增益为1。图7是对小脉冲信号的采集曲线,被采集信号为10mV的较强脉冲,叠加在0.1mV的微弱正弦信号之上,直流偏置为625mV。从图中可以看出:强脉冲和弱正弦信号都能清晰有效地加以识别,因此,信号采集系统具有高分辨率,低噪声的微弱信号采集能力。

    3 结论

    本文利用超低偏置电流放大芯片LMP7721,辅以Guard环保护技术,再加上4通道24位A/D转换器ADS1211设计了一种高分辨率、低噪声的信号采集系统;在设计中需要注意将数字部分和模拟部分分开布局与铺地,同时隔离数字电源对模拟电源的干扰。实验证明:采集系统的最小可分辨信号接近0.1mV,噪声RMS值小于50μV,达到了预期的要求。

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