CN107084770B - 信号拾取电路、变送器、流量计和拾取信号的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种信号拾取电路、变送器、流量计和拾取信号的方法。根据本公开的一个实施例，该信号拾取电路用于拾取第一差分信号对和第二差分信号对，该信号拾取电路包括：第一输入端对，被配置为接收第一差分信号对；第二输入端对，被配置为接收第二差分信号对；第一变压器；第二变压器；第一运算放大器，第一运算放大器的输入端通过第一变压器与第一输入端对耦合；以及第二运算放大器，第二运算放大器的输入端通过第二变压器与第二输入端对耦合。该信号拾取电路能够抑制湿度、对地短路或对电路的承载壳短路对两输出信号之间的差产生不希望的偏移。

Description

信号拾取电路、变送器、流量计和拾取信号的方法
技术领域
本公开总体上涉及电信号处理领域，具体地，涉及一种信号拾取电路、变送器、流量计和拾取信号的方法。
背景技术
在测量诸如天然气的流量的物理量时，通常会使用传感器测量并输出原始信号，然后利用变送器将原始信号转变为可被控制器识别的信号。
在将原始信号输入变送器的信号拾取电路时，通常信号拾取电路的输入端和地是电隔离的，但是由于环境湿度、输入端无意间接地或输入端无意间和电路的承载壳体接触，导致变送器的输出信号相对于输入端和地电隔离时得到输出信号发生不希望的偏移，导致测量结果不准。
发明内容
在下文中将给出关于本公开的简要概述，以便提供关于本公开的某些方面的基本理解。应当理解，此概述并不是关于本公开的穷举性概述。它并不是意图确定本公开的关键或重要部分，也不是意图限定本公开的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
根据本公开的一方面，提供了一种信号拾取电路，该信号拾取电路用于拾取第一差分信号对和第二差分信号对，该信号拾取电路包括：第一输入端对，被配置为接收第一差分信号对；第二输入端对，被配置为接收第二差分信号对；第一变压器；第二变压器；第一运算放大器，第一运算放大器的输入端通过第一变压器与第一输入端对耦合；以及第二运算放大器，第二运算放大器的输入端通过第二变压器与第二输入端对耦合。
根据本公开的另一方面，提供了一种变送器，其包括前述信号拾取电路。
根据本公开的又一方面，提供了一种流量计，其包括前述变送器。
根据本公开的又一方面，提供了一种拾取信号的方法，用于拾取第一差分信号对和第二差分信号对，包括：接收第一差分信号对和第二差分信号对；以及分别通过第一变压器和第二变压器将所接收的第一差分信号对和第二差分信号对分别耦合到第一运算放大器和第二运算放大器的输入端。
该信号拾取电路和方法能够抑制湿度、对地短路或对电路的承载壳短路对两输出信号之间的差产生不希望的偏移。
附图说明
本公开可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分。在附图中：
图1是根据本公开的一个实施例的信号拾取电路的模块图；
图2是根据本公开的一个实施例的信号拾取电路的示例性电路图；
图3是根据一个比较例的信号拾取电路的电路图；
图4图示根据图3所示的比较例的信号拾取电路输出的两拾取信号的波形图；
图5是根据另一比较例的输入端对电路的承载壳体短路的信号拾取电路的电路图；以及
图6是根据本公开的一个实施例的信号拾取方法的流程图。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本公开的示例性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施例的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中可以做出很多特定于实施例的决定，以便实现开发人员的具体目标，并且这些决定可能会随着实施例的不同而有所改变。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本公开，在附图中仅仅示出了与根据本公开的方案密切相关的装置结构，而省略了与本公开关系不大的其他细节。
图1是根据本公开的一个实施例的信号拾取电路100的模块图。如图1所示，信号拾取电路100用于拾取第一差分信号对和第二差分信号对。信号拾取电路100包括：第一输入端对103a，被配置为接收第一差分信号对；第二输入端对103b，被配置为接收第二差分信号对；第一变压器105a；第二变压器105b；第一运算放大器107a，第一运算放大器107a的输入端通过第一变压器105a与第一输入端对103a耦合；以及第二运算放大器107b，第二运算放大器107b的输入端通过第二变压器105b与第二输入端对103b耦合。第一运算放大器107a对其输入信号进行处理，输出第一输出。第二运算放大器107b对其输入信号进行处理，输出第二输出。
第一输出和第二输出将作为下一级处理电路的输入被进一步处理。例如，第一差分信号对和第二差分信号对是流量传感器输出的差分信号对，下一级处理电路比较第一输出和第二输出，提取第一输出和第二输出的初始相位之间的差，从而得出流量。
图2是根据本公开的一个实施例的信号拾取电路100的示例性电路图，其具体实现图1中所图示的信号拾取电路100的模块图的各个单元。图2中电源V3、V4、V5提供直流电，图3和图5中的电源V3、V4、V5也提供直流电。信号拾取电路100可以在变送器中使用，而这样的变送器可以在流量计中使用。
信号拾取电路100用于拾取第一差分信号对(即LPO+及LPO-)和第二差分信号对(即，RPO+及RPO-)，包括：第一输入端对V6，被配置为接收第一差分信号对；第二输入端对V2，被配置为接收第二差分信号对；第一变压器TX1；第二变压器TX2；第一运算放大器OA1，第一运算放大器OA1的输入端通过第一变压器TX1与第一输入端对耦合；以及第二运算放大器OA2，第二运算放大器OA2的输入端通过第二变压器TX2与第二输入端对耦合。
即，在信号拾取电路100的输入端对V6、V2分别输入差分信号对：由正相差分信号LPO+和反相差分信号LPO-构成的第一差分信号对，第一差分信号对输入输入端对V6；由正相差分信号RPO+和反相差分信号RPO-构成的第二差分信号对，第二差分信号对输入输入端对V2。
第一运算放大器OA1和第二运算放大器OA2的型号例如可以是LM6132BIN。优选使用放大精度高、零漂低的运算放大器。
根据输入的差分信号对中信号的频率范围选择合适的第一变压器TX1和第二变压器TX2。对于流量计而言，常见的差分信号为200Hz量级，属于低频区域。因此，对于在流量计中使用的信号拾取电路，第一变压器TX1和第二变压器TX2可以选择为低频变压器。
线性变压器是常见的变压器，其具有简单的结构。在本实施例中，第一变压器TX1和第二变压器TX2选择为线性变压器。
优选第一变压器TX1和第二变压器TX2相同。具体而言，第一变压器TX1的初级绕组和第二变压器TX2的初级绕组的配置相同，或者基本相同，并且第一变压器TX1的次级绕组和第二变压器TX2的次级绕组的配置相同，或者基本相同。第一变压器TX1和第二变压器TX2的表征参数尽量一致。
进一步的，第一变压器TX1的初级绕组的电感和第二变压器TX2的初级绕组的电感相同，并且第一变压器TX1的次级绕组的电感和第二变压器TX2的次级绕组的电感相同。
优选，第一变压器TX1的初级绕组的电感小于第一变压器TX的次级绕组的电感，其中，第一、二变压器TX1、TX2的初级绕组的电感尽量低。第一变压器TX1的初级绕组的电感优选小于60mH。
例如，第一变压器TX1的初级绕组的电感和第二变压器TX2的初级绕组的电感都选择为50mH；第一变压器TX1的次级绕组的电感和第二变压器TX2的次级绕组的电感都选择为170mH。
为了检验信号拾取电路100的效果，选择通用电路分析程序Pspice来进行电路仿真。图2中示出了在仿真时使用的各个元件的参数(如电阻值、电感值、电容值)。需要注意的是，图2中所示出的各元件的参数仅作为示例，本领域技术人员明白：可以根据实际情况，对这些参数进行适应性改变。
第一运算放大器OA1的输出端输出第一输出LPO_OUT。第二运算放大器OA2的输出端输出第二输出RPO_OUT。
通常情况下，拾取电路100的第一输入端对V6中的输入端(简称第一输入端)、第二输入端对V2中的输入端(简称第二输入端)是和地以及电路的承载壳体是电隔离的，在这样的电隔离情况下，第一输入端、第二输入端对地或电路的承载壳体的阻抗通常为100MΩ量级(例如100MΩ以上)。但是由于环境湿度、输入端无意间接地或输入端无意间和电路的承载壳体接触，导致第一输入端、第二输入端对地或电路的承载壳体的阻抗下降，例如将为1MΩ或更低。在图2中，用R18表示第一输入端无意间和电路的承载壳体接触所导致的第一输入端的对壳体的阻抗，用R19表示第二输入端无意间和电路的承载壳体接触所导致的第二输入端的对壳体的阻抗。有意选择R18为1MΩ、R19为3MΩ，来仿真输入信号对壳不平衡短路。R5、R6、R7和R8的阻值选择为100kΩ，以增加OA1和OA2的增益。
在仿真时，将LPO+、LPO-、RPO+和RPO-均选择为正弦交流信号，振幅为0.2V，频率为200Hz，两变压器的耦合系数都选择为1。
通过获得正弦第一拾取信号LPO_OUT和第二拾取信号RPO_OUT的初始相位之间的差Δφ，可以得到流量v。具体而言，v＝Δt*k，其中，v的单位为g/s；k为已知的流量校准因子(Flow calibration factor，通常简写为FCF)，单位为g/μs；Δt为第二拾取信号和第一拾取信号的最近邻振幅峰所对应的时间之间的差，单位为μs。在仿真中k＝1000g/μs。
为了说明信号拾取电路100的有益效果。下面介绍一作为比较例的信号拾取电路300。
图3图示根据比较例的信号拾取电路300。和信号拾取电路100不同的是，V6和OA1之间没有使用变压器，V2和OA2之间也没有使用变压器，并且V6和V2均和地、电路的承载壳体无连接(即很好的电隔离)。设置从V6和V2输入的信号，以对应50ns的时间差(用Δt0表示；即设置从V6和V2输入的信号，第一差分信号对中的正相差分信号LPO+和第二差分信号对中的正相差分信号RPO+的初始相位之间的差为ωΔt0，Δt0＝50ns)，然后用Pspice仿真，获得LPO_OUT和RPO_OUT的波形图。对图3所示的信号拾取电路300，所获得的波形图如图4所示，其中，上波形图对应LPO_OUT的波形图，下波形图对应RPO_OUT的波形图。RPO_OUT和LPO_OUT的最近邻振幅峰所对应的时间之间的差为：Δt＝1.253043ms-1.252993ms＝50ns。即，对和电路的承载壳体电隔离的拾取电路300，Δt＝Δt0，时间差未发生不希望的偏移。
当信号拾取电路300的输入端对电路的承载壳体短路后，电路变为如图5所示的电路500。LPO+对地呈现1MΩ的阻抗。Pspice仿真结果表明：在输入信号不变的情况下(即设置从V6和V2输入的信号，第一差分信号对中的正相差分信号LPO+和第二差分信号对中的正相差分信号RPO+的初始相位之间的差为ωΔt0，Δt0＝50ns)，RPO_OUT和LPO_OUT的最近邻振幅峰所对应的时间之间的差Δt为：1.253084ms-1.252993ms＝91ns。相对于真实的50ns的时间差，发生41ns的不希望的偏移。这导致1000*0.041＝41g/s的流量偏移。
对于信号拾取电路100，Pspice仿真结果表明：在输入信号不变的情况下(即Δt0＝50ns)，Δt为2.606587ms-2.606537ms＝50ns。即，变压器的使用抑制了输入对电路的承载壳体短路所引起的不希望的时间差偏移，保证了流量的测量准确性。
仿真表明，对信号拾取电路100，在第一差分信号对中的正相差分信号和第二差分信号对中的正相差分信号的频率为200Hz，第一差分信号对中的正相差分信号和第二差分信号对中的正相差分信号的初始相位之间的差为零，并且第一输入端和第二输入端对地阻抗中的至少1个不高于10MΩ的情况下，第一运算放大器的输出和第二运算放大器的输出的最近邻振幅峰所对应的时间之间的差能够小于5ns，例如1ns。
图6是使用图1所示的信号拾取电路(具体可以例如是图2所图示的电路)的拾取信号的方法600的流程图。方法600用于拾取第一差分信号对(LPO+及LPO-)和第二差分信号对(RPO+及RPO-)。在步骤603处接收两个差分信号对，即，接收第一差分信号对和第二差分信号对。在步骤605处分别通过两个变压器将所接收的信号耦合到两个运算放大器的输入端，即，分别通过第一变压器TX1和第二变压器TX2将所接收的第一差分信号对和第二差分信号对耦合到第一运算放大器(OA1)和第二运算放大器(OA2)的输入端。在步骤607处执行放大和输出，将第一运算放大器和第二运算放大器各自的输入信号放大并输出放大的信号。
仿真表明，对方法600能够获得如下性能，在第一差分信号对中的正相差分信号和第二差分信号对中的正相差分信号的频率为200Hz，第一差分信号对中的正相差分信号和第二差分信号对中的正相差分信号的初始相位之间的差为零，并且接收第一差分信号对的输入端和接收第二差分信号对的输入端中的至少一个的对地阻抗不高于10MΩ的情况下，第一运算放大器的输出和第二运算放大器的输出的最近邻振幅峰所对应的时间之间的差能够小于5ns，例如1ns。
信号拾取电路100及方法600能够取得如下有益效果：在拾取信号期间增强电路的输入抗共模干扰能力；用于抑制环境湿度对电路的两输出信号之间的差产生不希望的偏移；减弱电路的输入信号对地短路对电路输出信号造成的影响。尤其是在以下情况下，上述有益效果将更加明显：第一输入端和第二输入端的对地阻抗中的至少1个不高于10MΩ。
尽管上面已经通过对本发明的具体实施例的描述对本发明进行了披露，但是，应该理解，本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本发明的保护范围内。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素或组件的存在或附加。涉及序数的术语“第一”或“第二”等并不表示这些术语所限定的特征、要素或组件的实施顺序或者重要性程度，而仅仅是为了描述清楚起见而用于在这些特征、要素或组件之间进行标识。

Claims (10)

1.一种用于拾取用于确定流量的第一差分信号对和第二差分信号对的信号拾取电路，包括：
第一输入端对，被配置为接收用于确定所述流量的所述第一差分信号对；
第二输入端对，被配置为接收用于确定所述流量的所述第二差分信号对；
第一变压器，被配置为与用于确定所述流量的所述第一差分信号对耦合；
第二变压器，被配置为与用于确定所述流量的所述第二差分信号对耦合；
第一运算放大器，所述第一运算放大器的输入端通过所述第一变压器与所述第一输入端对耦合；以及
第二运算放大器，所述第二运算放大器的输入端通过所述第二变压器与所述第二输入端对耦合；
其中，所述第一变压器和所述第二变压器被配置成抑制所确定的流量出现相对于真实流量的偏移。
2.根据权利要求1所述的信号拾取电路，其中，所述第一变压器和所述第二变压器为线性变压器。
3.根据权利要求1所述的信号拾取电路，其中，所述第一变压器的初级绕组和所述第二变压器的初级绕组的配置相同，并且所述第一变压器的次级绕组和所述第二变压器的次级绕组的配置相同。
4.根据权利要求1所述的信号拾取电路，其中，所述第一变压器的初级绕组的电感和所述第二变压器的初级绕组的电感相同，并且所述第一变压器的次级绕组和所述第二变压器的次级绕组的电感相同。
5.根据权利要求1所述的信号拾取电路，其中，所述第一变压器的初级绕组的电感小于所述第一变压器的次级绕组的电感。
6.根据权利要求1所述的信号拾取电路，其中，所述第一变压器的初级绕组的电感小于60mH。
7.一种变送器，包括权利要求1所述的信号拾取电路。
8.一种流量计，包括权利要求7所述的变送器。
9.一种用于拾取用于确定流量的第一差分信号对和第二差分信号对的拾取信号的方法，包括：
接收用于确定所述流量的所述第一差分信号对和所述第二差分信号对；以及
分别通过第一变压器和第二变压器将所接收的用于确定所述流量的第一差分信号对和第二差分信号对耦合到第一运算放大器和第二运算放大器的输入端；
其中，所述第一变压器和所述第二变压器被配置成抑制所确定的流量出现相对于真实流量的偏移。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在第一差分信号对中的正相差分信号和第二差分信号对中的正相差分信号的频率为200Hz，第一差分信号对中的正相差分信号和第二差分信号对中的正相差分信号的初始相位之间的差为零，并且接收所述第一差分信号对的输入端和接收所述第二差分信号对的输入端中的至少一个的对地阻抗不高于10MΩ的情况下，所述第一运算放大器的输出和所述第二运算放大器的输出的最近邻振幅峰所对应的时间之间的差小于5ns。
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