摘(zhai)要:渦街(jie)流量計(ji) 測量阻(zu)流體時(shi)物理信(xin)号動态(tai)範圍大(da)，尤其在(zai)測量弱(ruo)信号時(shi)易受噪(zao)聲影響(xiang)，因此其(qi)前置放(fang)大電路(lu)性💘能必(bi)須充分(fen)考🤩慮電(dian)路本底(di)噪聲因(yin)素。分析(xi)了φ50型号(hao)氣體渦(wo)♌街流量(liang)👅計前置(zhi)放大電(dian)路的系(xi)統噪聲(sheng)組成🛀🏻，對(dui)電路噪(zao)聲進行(hang)分析、計(ji)算，得⛹🏻‍♀️出(chu)理論上(shang)的電路(lu)本底等(deng)效噪聲(sheng)值爲4.59μV。利(li)用Multisim14.0作爲(wei)仿真環(huan)境進行(hang)測試驗(yan)🏃🏻證，表明(ming)利用此(ci)電路可(ke)檢測10μV以(yi)上的信(xin)号。提出(chu)的電路(lu)設計爲(wei)實際電(dian)🔞路優化(hua)提供了(le)理論參(can)考依據(ju)。
引言.
　　渦(wo)街流量(liang)計在計(ji)量領域(yu)具有廣(guang)泛的應(ying)用場景(jing)。目⛷️前，若(ruo)要利用(yong)渦街流(liu)量計實(shi)現精密(mi)測量，還(hai)需要處(chu)理本底(di)噪聲問(wen)題，因爲(wei)它🌈是影(ying)響測量(liang)精度的(de)最主要(yao)因素。
　　本(ben)文針對(dui)上述問(wen)題，首先(xian)基于中(zhong)50型号氣(qi)體渦街(jie)流量計(ji)的前置(zhi)放大電(dian)路進行(hang)分析，将(jiang)複雜的(de)電路等(deng)效成簡(jian)化🌂電路(lu);接着在(zai)特❓定渦(wo)街流量(liang)計前置(zhi)放大電(dian)路的基(ji)礎上，對(dui)前置放(fang)大器進(jin)行噪聲(sheng)量化計(ji)算;最後(hou)基于噪(zao)聲影響(xiang)情況，進(jin)行精度(du)測量模(mo)拟仿真(zhen)👄實驗，證(zheng)實理論(lun)計算結(jie)果的可(ke)靠性。結(jie)❌果顯示(shi):噪聲測(ce)量、算法(fa)和精度(du)測試，能(neng)夠爲實(shi)際電路(lu)測量中(zhong)渦街流(liu)量計❄️的(de)性能改(gai)善提供(gong)理論參(can)考。
1渦街(jie)流量計(ji)計量原(yuan)理
　　渦街(jie)流量計(ji)的原理(li)是在氣(qi)體或液(ye)體等流(liu)體中安(an)置阻㊙️流(liu)體🈲，流體(ti)在經過(guo)阻流體(ti)時會交(jiao)替産生(sheng)兩串規(gui)則的旋(xuan)渦(這種(zhong)旋渦稱(cheng)🛀爲“卡門(men)渦街”)，旋(xuan)渦頻率(lü)被壓力(li)傳感器(qi)檢測到(dao)後，利用(yong)流量Q與(yu)頻率f的(de)關系式(shi)📱測量流(liu)體☁️的流(liu)量，即
Q=f/K
　　其(qi)中，K是流(liu)量計的(de)流量系(xi)數，可看(kan)作固定(ding)常數。
2前(qian)置放大(da)電路噪(zao)聲分析(xi)
　　本文選(xuan)取了最(zui)典型的(de)中50型号(hao)氣體渦(wo)街流量(liang)計的前(qian)🔅置🌂放🌈大(da)電路作(zuo)爲特定(ding)樣本對(dui)噪聲進(jin)行分析(xi)。系🚩統噪(zao)聲包括(kuo)電🙇‍♀️路内(nei)⭐部産‼️生(sheng)的噪聲(sheng)(也稱固(gu)有噪聲(sheng))，也包括(kuo)🎯電路外(wai)部的幹(gan)擾噪聲(sheng)。前置放(fang)㊙️大器的(de)固有噪(zao)聲主要(yao)包括電(dian)阻💃🏻熱噪(zao)聲、集成(cheng)運算放(fang)大器自(zi)身的等(deng)效噪聲(sheng)。本章主(zhu)要對渦(wo)街流量(liang)計系統(tong)電阻熱(re)噪聲、運(yun)算放大(da)器自身(shen)的等效(xiao)噪聲進(jin)行分析(xi)，外部😘幹(gan)擾噪聲(sheng)不在讨(tao)論範圍(wei)⭐之内。
2.1熱(re)噪聲原(yuan)理
(1)電阻(zu)熱噪聲(sheng):主要由(you)電子的(de)随機熱(re)運動引(yin)起，産生(sheng)噪聲🈲電(dian)壓。電阻(zu)兩端産(chan)生的熱(re)噪聲電(dian)壓有效(xiao)值E,滿足(zu)
Q=f/K
　　其中，k一(yi)玻爾茲(zi)曼常數(shu);T一電阻(zu)的絕對(dui)溫度;R一(yi)電阻的(de)阻值,Ω;B一(yi)🈲信号帶(dai)寬。
注:在(zai)室溫下(xia)(17或290K)，4kT≈1.6x11-27V2/(Hz.Ω)。.
(2)阻容(rong)并聯的(de)熱噪聲(sheng):爲了限(xian)制頻帶(dai)寬度，有(you)時要在(zai)🔞電✌️阻兩(liang)端連🙇‍♀️接(jie)電容。在(zai)阻容并(bing)聯的情(qing)況，電路(lu)中開路(lu)的熱噪(zao)📐聲有效(xiao)值⁉️E10爲
 
　　其(qi)中，C-并聯(lian)電容。
　　可(ke)以證明(ming)，無源元(yuan)件的任(ren)意連接(jie)所産生(sheng)的熱.噪(zao)聲等同(tong)🔱于等效(xiao)網絡阻(zu)抗的實(shi)部電阻(zu)所産生(sheng)的熱噪(zao)聲。
2.2運算(suan)放大器(qi)自身等(deng)效噪聲(sheng)分析
　　運(yun)算放大(da)器的噪(zao)聲模型(xing)也可以(yi)用等效(xiao)噪聲模(mo)型替代(dai)。圖1所示(shi)爲含噪(zao)放大器(qi)的電路(lu)圖，圖2爲(wei)噪聲等(deng)效電路(lu)。其💯中，es是(shi)被測信(xin)号♍電壓(ya)，Rs是信号(hao)源的輸(shu)出電🔴阻(zu)，e1是電阻(zu)熱噪聲(sheng)等效的(de)噪聲電(dian)壓源，en和(he)in分别是(shi)放大器(qi)自身的(de)等效噪(zao)聲電壓(ya)源和電(dian)流源。
　　設(she)et,en和in互不(bu)相關，噪(zao)聲電流(liu)源可以(yi)轉化爲(wei)電壓源(yuan)inRs，其有㊙️效(xiao)值的平(ping)方表示(shi)爲
 
3前置(zhi)放大電(dian)路噪聲(sheng)計算分(fen)析
　　因不(bu)同電路(lu)的需求(qiu)不同，設(she)計一個(ge)電路往(wang)往也需(xu)要具🏃🏻‍♂️有(you)💃🏻一些其(qi)他功能(neng)，例如去(qu)除直流(liu)偏置、抑(yi)制共模(mo)信👌号等(deng)🧡。本章對(dui)該電路(lu)進行合(he)理的簡(jian)化，以更(geng)方便地(di)計算噪(zao)聲，并對(dui)噪聲進(jin)行等效(xiao)分析與(yu)計算。
 
3.1前(qian)置放大(da)器電路(lu)分析
　　渦(wo)街流量(liang)計前置(zhi)放大電(dian)路如圖(tu)3所示。在(zai)該電路(lu)設計中(zhong)，采用了(le)SGM8532芯片，利(li)用電路(lu)的對稱(cheng)性和負(fu)反饋作(zuo)用，有效(xiao)地穩定(ding)靜态工(gong)作點，以(yi)放大差(cha)模信号(hao)，抑制共(gong)模信号(hao)。在J2，R,1和R2的(de)電路中(zhong)，交流⁉️信(xin)号可以(yi)順利通(tong)過①、②，而直(zhi)流信号(hao)因受到(dao)C3、C4的影響(xiang)隻能走(zou)J1,R1和R2的環(huan)路,使得(de)🐇兩條通(tong)路的☁️直(zhi)流信号(hao)電位相(xiang)同，去除(chu)了直流(liu)偏置。在(zai)對稱環(huan)路中，爲(wei)了計算(suan)方便，我(wo)們将③等(deng)效成地(di)。
　　簡化後(hou)的電路(lu)圖和等(deng)效噪聲(sheng)電路圖(tu)分别如(ru)圖4和圖(tu)5所✏️示。
 
3.2噪(zao)聲估算(suan)
　　由式(2)可(ke)知R3和R4串(chuan)聯所産(chan)生的熱(re)噪聲爲(wei)Et=2.65×10-7V;
　　由式(3)可(ke)知阻容(rong)并聯所(suo)産生的(de)熱噪聲(sheng)爲
E10=4.47×10-6V。
　　圖6所(suo)示爲SGM8532芯(xin)片手冊(ce)的部分(fen)片段，由(you)
　　圖6及式(shi)(5)可得En=1-04×10-6V。
　　由(you)公式(4)可(ke)知，該電(dian)路輸出(chu)的噪聲(sheng)有效值(zhi)爲
 
　　因此(ci)，理論上(shang)該電路(lu)可以檢(jian)測大于(yu)10μV(大于噪(zao)聲6dB以_上(shang))的微♈弱(ruo)信号。
4仿(pang)真結果(guo)驗證
　　本(ben)章利用(yong)Multisim14.0作爲仿(pang)真環境(jing)，其自帶(dai)的噪聲(sheng)源可以(yi)使仿真(zhen)結果更(geng)加正确(que)。放大器(qi)爲理想(xiang)放大器(qi)，V爲該放(fang)大器😘等(deng)效噪聲(sheng)源，确保(bao)噪聲的(de)正确率(lü)。
　　電路仿(pang)真結果(guo)如圖7所(suo)示。由仿(pang)真結果(guo)可以看(kan)出，在總(zong)的噪聲(sheng)中，V(p-p)大概(gai)爲2~8μV,與實(shi)際.結果(guo)相差不(bu)大，在同(tong)一量級(ji)。實際噪(zao)聲稍微(wei)小，可能(neng)是輸出(chu)頻率比(bi)理論值(zhi)略小導(dao)緻的。
5結(jie)束語
　　本(ben)文首先(xian)簡要介(jie)紹了渦(wo)街流量(liang)計原理(li)及構.成(cheng)，然後着(zhe)重分析(xi)了渦街(jie)流量計(ji)前置放(fang)大電路(lu)的各種(zhong)噪聲㊙️及(ji)公☔式，并(bing)以典型(xing)的φ50型号(hao)氣體渦(wo)街流量(liang)計的前(qian)置放大(da)電路作(zuo)爲特定(ding)樣本，在(zai)建立💃🏻噪(zao)聲模型(xing)的基礎(chu).上，簡單(dan)、有效地(di)🆚計算得(de)到了渦(wo)街流量(liang)計前置(zhi)放大電(dian)路的噪(zao)聲。通過(guo)對電路(lu)進行仿(pang)真驗證(zheng)，佐證了(le)理論計(ji)算的有(you)效性。該(gai)電路可(ke)以.測量(liang)大于10μV的(de)渦街信(xin)号，爲後(hou)續實測(ce)及電路(lu)優化提(ti)供理論(lun)參考依(yi)據。

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