摘要:渦(wō)街流量計(jì) 測(cè)量(liàng)阻流體時(shí)物理信号動态(tài)範圍大，尤其在(zài)測量弱信号時(shí)易受噪(zào)聲影響(xiǎng)，因此其前置放(fàng)大電路性能必須充(chōng)分考(kǎo)慮電路本(běn)底噪聲因(yīn)素。分(fèn)析(xī)了φ50型号(hào)氣體渦街(jiē)流量(liàng)計前置放(fàng)大電(diàn)路的(de)系統(tǒng)噪聲(shēng)組成，對電路噪(zào)聲進行分析、計(jì)算(suàn)，得出(chū)理論上(shàng)的電(diàn)路(lù)本(běn)底等(děng)效噪聲值(zhí)爲4.59μv。利用multisim14.0作爲仿真環境進(jìn)行(háng)測試驗(yàn)證，表明利用此(cǐ)電路可檢測10μv以(yǐ)上的信号(hào)。提出(chū)的電(diàn)路設(shè)計爲(wèi)實際電路優化(huà)提供(gòng)了理論參(cān)考依據(jù)。
引(yǐn)言.
　　渦街流量計在計量領域(yù)具(jù)有廣泛的(de)應用場景(jǐng)。目前，若要(yào)利用(yòng)渦街流(liú)量計實(shí)現精密測(cè)量，還(hái)需要處理本底(dǐ)噪聲問題，因爲(wèi)它(tā)是影響測量(liàng)精度的最(zuì)主要因素。
　　本(běn)文(wén)針對(duì)上述問(wèn)題，首先(xiān)基于(yú)中50型(xíng)号氣(qì)體渦(wō)街(jiē)流(liú)量計(jì)的前置放大電(diàn)路進(jìn)行分(fèn)析，将複雜(zá)的電路等(děng)效成簡化(huà)電路(lù);接着(zhe)在特定渦(wō)街流量計前置(zhì)放大(dà)電路的基(jī)礎上(shàng)，對前置放(fàng)大器進(jìn)行噪聲量化計算;最後(hòu)基于(yú)噪聲影響(xiǎng)情況，進行精度測量(liàng)模(mó)拟仿真(zhēn)實驗，證實(shí)理論(lùn)計(jì)算(suàn)結果的可(kě)靠性。結果顯(xiǎn)示:噪聲測量、算法(fǎ)和精度測試，能夠爲(wèi)實際電路(lù)測量(liàng)中渦街流(liú)量計的性能改善提供理論參考。
1渦(wō)街(jiē)流量計(jì)計量(liàng)原理
　　渦街(jiē)流量計的原理(lǐ)是在(zài)氣體或液(yè)體等流體(tǐ)中安(ān)置阻流體(tǐ)，流體(tǐ)在經(jīng)過阻流體時會交(jiāo)替(tì)産生(shēng)兩串規則的旋(xuán)渦(這種旋渦稱爲“卡門渦街”)，旋(xuán)渦頻率被壓力(lì)傳感(gǎn)器檢測到(dào)後，利(lì)用流量q與頻率(lǜ)f的關(guān)系式測量流體的流量，即(jí)
q=f/k
　　其中，k是流(liú)量計的(de)流(liú)量系(xì)數，可看作固定(dìng)常數。
2前置(zhì)放大電路(lù)噪(zào)聲分析(xī)
　　本文選取(qǔ)了最(zuì)典型(xíng)的中50型号(hào)氣體渦街(jiē)流量計的前置(zhì)放大(dà)電路(lù)作爲(wèi)特定(dìng)樣本(běn)對(duì)噪聲進(jìn)行分析。系(xì)統噪(zào)聲包括電路内(nèi)部産生的噪聲(也稱(chēng)固(gù)有(yǒu)噪聲(shēng))，也包括(kuò)電(diàn)路外(wài)部的幹擾(rǎo)噪聲(shēng)。前置放大器的(de)固有(yǒu)噪(zào)聲主要包括電阻熱噪(zào)聲、集成運(yùn)算放(fàng)大器(qì)自(zì)身的等(děng)效噪聲。本章(zhāng)主要對渦街流量(liàng)計系統(tǒng)電阻熱噪聲、運算放大器自身的等效(xiào)噪聲進行分析(xī)，外部幹擾(rǎo)噪聲(shēng)不在讨論範圍(wéi)之内(nèi)。
2.1熱(rè)噪聲原(yuán)理
(1)電阻熱(rè)噪聲:主要由電子的(de)随機熱運動引(yǐn)起，産(chǎn)生噪聲電(diàn)壓。電(diàn)阻兩端産生的(de)熱(rè)噪聲電(diàn)壓有效值e,滿(mǎn)足
q=f/k
　　其中，k一玻(bō)爾茲(zī)曼常數;t一電阻(zǔ)的絕對溫(wēn)度;r一(yī)電(diàn)阻的(de)阻值,Ω;b一(yī)信号(hào)帶寬。
注:在室溫下(17或(huò)290k)，4kt≈1.6x10-20v2/(hz.Ω)。.
(2)阻容(róng)并聯(lián)的(de)熱噪聲(shēng):爲了限制頻帶寬度，有時要在(zài)電阻兩端連接電容。在(zài)阻容并聯的情(qíng)況，電路(lù)中開路的熱噪(zào)聲有效(xiào)值e10爲
 
　　其中，c-并聯(lián)電容(róng)。
　　可(kě)以證明，無源元(yuán)件的任意連接(jiē)所産(chǎn)生的(de)熱.噪(zào)聲等同于等效(xiào)網絡阻(zǔ)抗的實(shí)部電(diàn)阻所(suǒ)産生(shēng)的熱噪聲。
2.2運算放大器自身等(děng)效噪聲分析
　　運(yùn)算放大器的噪(zào)聲模(mó)型也(yě)可以用等效噪聲模(mó)型替(tì)代。圖1所示(shì)爲含噪放大器(qì)的電(diàn)路圖，圖2爲(wèi)噪聲等(děng)效(xiào)電路(lù)。其中，es是被測信号電(diàn)壓(yā)，rs是信号(hào)源(yuán)的(de)輸出電阻(zǔ)，e1是電阻熱噪聲等效的噪聲電(diàn)壓源，en和in分别是(shì)放大器自(zì)身的(de)等(děng)效噪聲電壓(yā)源和電(diàn)流(liú)源。
　　設et,en和in互(hù)不(bú)相(xiàng)關，噪(zào)聲電流源可以(yǐ)轉化(huà)爲電壓源(yuán)inrs，其(qí)有效(xiào)值的平方表示爲
 
3前(qián)置(zhì)放大電路噪聲(shēng)計算(suàn)分析
　　因不(bú)同電(diàn)路(lù)的(de)需求(qiú)不(bú)同，設計一個(gè)電路往往(wǎng)也需要具有一(yī)些其(qí)他功能，例(lì)如去(qù)除直(zhí)流偏置、抑(yì)制共模信(xìn)号等(děng)。本章對該電路(lù)進行合理的簡化，以(yǐ)更方便地(dì)計算噪聲，并對噪聲進行等效(xiào)分析與(yǔ)計算。
 
3.1前(qián)置放大器電路(lù)分析
　　渦街流量(liàng)計前(qián)置(zhì)放大電路如圖3所示。在該電路設計中(zhōng)，采用了sgm8532芯片，利用電路的(de)對稱(chēng)性和負反饋作用，有效地穩定(dìng)靜态(tài)工作點，以(yǐ)放大差(chà)模信号(hào)，抑制共模信号(hào)。在j2，r,1和r2的電路中，交流信号可以順利通過(guò)①、②，而直流信号因受到(dào)c3、c4的影(yǐng)響(xiǎng)隻能走(zǒu)j1,r1和r2的(de)環(huán)路(lù),使得(dé)兩條通路的直(zhí)流信号(hào)電位相同，去(qù)除了直流(liú)偏置(zhì)。在(zài)對稱環路中(zhōng)，爲了計算(suàn)方便(biàn)，我(wǒ)們将③等(děng)效成地。
　　簡(jiǎn)化後(hòu)的電路(lù)圖和等(děng)效噪(zào)聲電(diàn)路圖(tú)分别(bié)如圖4和圖(tú)5所(suǒ)示(shì)。
 
3.2噪(zào)聲(shēng)估算(suàn)
　　由式(2)可知r3和r4串(chuàn)聯所産生(shēng)的熱噪聲(shēng)爲(wèi)et=2.65×10-7v;
　　由式(3)可知阻(zǔ)容并聯所(suǒ)産生的熱噪聲(shēng)爲
e10=4.47×10-6v。
　　圖6所示爲sgm8532芯(xīn)片手冊的(de)部分(fèn)片段，由
　　圖6及式(shì)(5)可得(dé)en=1-04×10-6v。
　　由公(gōng)式(4)可(kě)知，該(gāi)電路(lù)輸出(chū)的噪(zào)聲有效值(zhí)爲
 
　　因(yīn)此，理論上該電路(lù)可以檢測大(dà)于(yú)10μv(大于噪(zào)聲6db以_上)的微弱(ruò)信号。
4仿(páng)真(zhēn)結果驗證
　　本章(zhāng)利用multisim14.0作爲(wèi)仿真(zhēn)環境(jìng)，其自(zì)帶(dài)的噪聲(shēng)源可以使仿真(zhēn)結果(guǒ)更加正确(què)。放大(dà)器爲理想放大器，v爲該放大器(qì)等效噪聲(shēng)源，确保噪聲的(de)正确率(lǜ)。
　　電路仿(páng)真結果如圖7所(suǒ)示。由仿(páng)真結果(guǒ)可以看出，在總的噪聲中，v(p-p)大概(gài)爲2~8μv,與(yǔ)實(shí)際.結果相差不大，在同(tóng)一量級。實際噪聲稍(shāo)微小，可能是輸出頻(pín)率比(bǐ)理論(lùn)值(zhí)略小(xiǎo)導(dǎo)緻的。
5結(jié)束語
　　本(běn)文首先(xiān)簡要介(jiè)紹了渦(wō)街(jiē)流量(liàng)計原理及構.成(chéng)，然後着重分析了渦(wō)街流(liú)量計(jì)前置放(fàng)大電路(lù)的各(gè)種(zhǒng)噪聲及(jí)公式，并以典型(xíng)的φ50型(xíng)号氣體渦(wō)街流量計(jì)的前(qián)置放(fàng)大電路作(zuò)爲特(tè)定樣(yàng)本，在建立噪聲模型(xíng)的基(jī)礎.上，簡單、有效(xiào)地計算得到了(le)渦(wō)街流量(liàng)計前(qián)置放大電(diàn)路的噪聲。通過(guò)對電(diàn)路(lù)進行仿(páng)真驗證，佐(zuǒ)證了理論計算的有效性(xìng)。該電路可(kě)以(yǐ).測量大于10μv的(de)渦街(jiē)信号，爲後(hòu)續實(shí)測及電路優化(huà)提供理論(lùn)參考依據(jù)。

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