摘要:渦街流量計(jì)測(cè)量阻流體時(shí)物理信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大，尤其在測(cè)量弱信號(hào)時(shí)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(hào)氣體渦街流量計(jì)前置放大電路的系統(tǒng)噪聲組成，對(duì)電路噪聲進(jìn)行分析、計(jì)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(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，表明利用此電路可檢測(cè)10μV以上的信號(hào)。提出的電路設(shè)計(jì)為實(shí)際電路優(yōu)化提供了理論參考依據(jù)。
引言.
　　渦街流量計(jì)在計(jì)量領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。目前，若要利用渦街流量計(jì)實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量，還需要處理本底噪聲問(wèn)題，因?yàn)樗�是影響測(cè)量精度的最主要因素。
　　本文針對(duì)上述問(wèn)題，首先基于中50型號(hào)氣體渦街流量計(jì)的前置放大電路進(jìn)行分析，將復(fù)雜的電路等效成簡(jiǎn)化電路;接著在特定渦街流量計(jì)前置放大電路的基礎(chǔ)上，對(duì)前置放大器進(jìn)行噪聲量化計(jì)算;最后基于噪聲影響情況，進(jìn)行精度測(cè)量模擬仿真實(shí)驗(yàn)，證實(shí)理論計(jì)算結(jié)果的可靠性。結(jié)果顯示:噪聲測(cè)量、算法和精度測(cè)試，能夠?yàn)閷?shí)際電路測(cè)量中渦街流量計(jì)的性能改善提供理論參考。
1渦街流量計(jì)計(jì)量原理
　　渦街流量計(jì)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(guò)阻流體時(shí)會(huì)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(cè)到后，利用流量Q與頻率f的關(guān)系式測(cè)量流體的流量，即
Q=f/K
　　其中，K是流量計(jì)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(hào)氣體渦街流量計(jì)的前置放大電路作為特定樣本對(duì)噪聲進(jìn)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(yùn)算放大器自身的等效噪聲。本章主要對(duì)渦街流量計(jì)系統(tǒng)電阻熱噪聲、運(yùn)算放大器自身的等效噪聲進(jìn)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(jī)熱運(yùn)動(dòng)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(duì)溫度;R一電阻的阻值,Ω;B一信號(hào)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(shí)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(wú)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(shí)部電阻所產(chǎn)生的熱噪聲。
2.2運(yùn)算放大器自身等效噪聲分析
　　運(yùn)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(cè)信號(hào)電壓，Rs是信號(hào)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(jì)算分析
　　因不同電路的需求不同，設(shè)計(jì)一個(gè)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(hào)等。本章對(duì)該電路進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，以更方便地計(jì)算噪聲，并對(duì)噪聲進(jìn)行等效分析與計(jì)算。
 
3.1前置放大器電路分析
　　渦街流量計(jì)前置放大電路如圖3所示。在該電路設(shè)計(jì)中，采用了SGM8532芯片，利用電路的對(duì)稱性和負(fù)反饋?zhàn)饔茫�有效地穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，以放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)。在J2，R,1和R2的電路中，交流信號(hào)可以順利通過(guò)①、②，而直流信號(hào)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(hào)電位相同，去除了直流偏置。在對(duì)稱環(huán)路中，為了計(jì)算方便，我們將③等效成地。
　　簡(jiǎn)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(cè)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(cè)大于10μV(大于噪聲6dB以_上)的微弱信號(hào)。
4仿真結(jié)果驗(yàn)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(shí)際.結(jié)果相差不大，在同一量級(jí)。實(shí)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(yǔ)
　　本文首先簡(jiǎn)要介紹了渦街流量計(jì)原理及構(gòu).成，然后著重分析了渦街流量計(jì)前置放大電路的各種噪聲及公式，并以典型的φ50型號(hào)氣體渦街流量計(jì)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(jiǎn)單、有效地計(jì)算得到了渦街流量計(jì)前置放大電路的噪聲。通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，佐證了理論計(jì)算的有效性。該電路可以.測(cè)量大于10μV的渦街信號(hào)，為后續(xù)實(shí)測(cè)及電路優(yōu)化提供理論參考依據(jù)。

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