摘要:渦街流量計測量阻流體時物理信號動態(tài)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(tǒng)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(huán)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(shè)計為實際電路優(yōu)化提供了理論參考依據(jù)。
引言.
　　渦街流量計在計量領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用場景。目前，若要利用渦街流量計實現(xiàn)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(fù)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(chǔ)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(jié)果的可靠性。結(jié)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(jīng)過阻流體時會交替產(chǎn)生兩串規(guī)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(guān)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(shù)，可看作固定常數(shù)。
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(tǒng)噪聲包括電路內(nèi)部產(chǎn)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(tǒng)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(nèi)。
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(chǎn)生噪聲電壓。電阻兩端產(chǎn)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(shù);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(lián)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(lián)的情況，電路中開路的熱噪聲有效值E10為
 
　　其中，C-并聯(lián)電容。
　　可以證明，無源元件的任意連接所產(chǎn)生的熱.噪聲等同于等效網(wǎng)絡(luò)阻抗的實部電阻所產(chǎn)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(shè)et,en和in互不相關(guān)，噪聲電流源可以轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)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(wěn)定靜態(tài)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(huán)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(huán)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(lián)所產(chǎn)生的熱噪聲為Et=2.65×10-7V;
　　由式(3)可知阻容并聯(lián)所產(chǎn)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(jié)果驗證
　　本章利用Multisim14.0作為仿真環(huán)境，其自帶的噪聲源可以使仿真結(jié)果更加正確。放大器為理想放大器，V為該放大器等效噪聲源，確保噪聲的正確率。
　　電路仿真結(jié)果如圖7所示。由仿真結(jié)果可以看出，在總的噪聲中，V(p-p)大概為2~8μV,與實際.結(jié)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(dǎo)致的。
5結(jié)束語
　　本文首先簡要介紹了渦街流量計原理及構(gòu).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(chǔ).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(xù)實測及電路優(yōu)化提供理論參考依據(jù)。

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