信號拾取電路、變送器和流量計的制作方法
【專利摘要】本公開涉及一種信號拾取電路、變送器和流量計。根據本公開的一個實施例，該信號拾取電路用于拾取第一差分信號對和第二差分信號對，該信號拾取電路包括：第一輸入端對，被配置為接收第一差分信號對；第二輸入端對，被配置為接收第二差分信號對；第一變壓器；第二變壓器；第一運算放大器，第一運算放大器的輸入端通過第一變壓器與第一輸入端對耦合；以及第二運算放大器，第二運算放大器的輸入端通過第二變壓器與第二輸入端對耦合。該信號拾取電路能夠抑制濕度、對地短路或對電路的承載殼短路對兩輸出信號之間的差產生不希望的偏移。
【專利說明】
信號拾取電路、變送器和流量計
技術領域
[0001]本公開總體上涉及電信號處理領域，具體地，涉及一種信號拾取電路、變送器和流量計。
【背景技術】
[0002]在測量諸如天然氣的流量的物理量時，通常會使用傳感器測量并輸出原始信號，然后利用變送器將原始信號轉變為可被控制器識別的信號。
[0003]在將原始信號輸入變送器的信號拾取電路時，通常信號拾取電路的輸入端和地是電隔離的，但是由于環境濕度、輸入端無意間接地或輸入端無意間和電路的承載殼體接觸，導致變送器的輸出信號相對于輸入端和地電隔離時得到輸出信號發生不希望的偏移，導致測量結果不準。
【發明內容】
[0004]在下文中將給出關于本公開的簡要概述，以便提供關于本公開的某些方面的基本理解。應當理解，此概述并不是關于本公開的窮舉性概述。它并不是意圖確定本公開的關鍵或重要部分，也不是意圖限定本公開的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細描述的前序。
[0005]根據本公開的一方面，提供了一種信號拾取電路，該信號拾取電路用于拾取第一差分信號對和第二差分信號對，該信號拾取電路包括:第一輸入端對，被配置為接收第一差分信號對;第二輸入端對，被配置為接收第二差分信號對;第一變壓器;第二變壓器;第一運算放大器，第一運算放大器的輸入端通過第一變壓器與第一輸入端對耦合；以及第二運算放大器，第二運算放大器的輸入端通過第二變壓器與第二輸入端對耦合。
[0006]根據本公開的另一方面，提供了一種變送器，其包括前述信號拾取電路。
[0007]根據本公開的又一方面，提供了一種流量計，其包括前述變送器。
[0008]根據本公開的又一方面，提供了一種拾取信號的方法，用于拾取第一差分信號對和第二差分信號對，包括:接收第一差分信號對和第二差分信號對；以及分別通過第一變壓器和第二變壓器將所接收的第一差分信號對和第二差分信號對分別耦合到第一運算放大器和第二運算放大器的輸入端。
[0009]該信號拾取電路和方法能夠抑制濕度、對地短路或對電路的承載殼短路對兩輸出信號之間的差產生不希望的偏移。
【附圖說明】
[0010]本公開可以通過參考下文中結合附圖所給出的描述而得到更好的理解，附圖連同下面的詳細說明一起包含在本說明書中并且形成本說明書的一部分。在附圖中:
[0011 ]圖1是根據本公開的一個實施例的信號拾取電路的模塊圖；
[0012]圖2是根據本公開的一個實施例的信號拾取電路的示例性電路圖；
[0013]圖3是根據一個比較例的信號拾取電路的電路圖；
[0014]圖4圖示根據圖3所示的比較例的信號拾取電路輸出的兩拾取信號的波形圖；
[0015]圖5是根據另一比較例的輸入端對電路的承載殼體短路的信號拾取電路的電路圖；以及
[0016]圖6是根據本公開的一個實施例的信號拾取方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0017]在下文中將結合附圖對本公開的示例性實施例進行描述。為了清楚和簡明起見，在說明書中并未描述實際實施例的所有特征。然而，應該了解，在開發任何這種實際實施例的過程中可以做出很多特定于實施例的決定，以便實現開發人員的具體目標，并且這些決定可能會隨著實施例的不同而有所改變。
[0018]在此，還需要說明的一點是，為了避免因不必要的細節而模糊了本公開，在附圖中僅僅示出了與根據本公開的方案密切相關的裝置結構，而省略了與本公開關系不大的其他細節。
[0019]圖1是根據本公開的一個實施例的信號拾取電路100的模塊圖。如圖1所示，信號拾取電路100用于拾取第一差分信號對和第二差分信號對。信號拾取電路100包括:第一輸入端對103a，被配置為接收第一差分信號對;第二輸入端對103b，被配置為接收第二差分信號對;第一變壓器105a;第二變壓器105b;第一運算放大器107a，第一運算放大器107a的輸入端通過第一變壓器105a與第一輸入端對103a耦合；以及第二運算放大器107b，第二運算放大器107b的輸入端通過第二變壓器105b與第二輸入端對103b耦合。第一運算放大器107a對其輸入信號進行處理，輸出第一輸出。第二運算放大器107b對其輸入信號進行處理，輸出第二輸出。
[0020]第一輸出和第二輸出將作為下一級處理電路的輸入被進一步處理。例如，第一差分信號對和第二差分信號對是流量傳感器輸出的差分信號對，下一級處理電路比較第一輸出和第二輸出，提取第一輸出和第二輸出的初始相位之間的差，從而得出流量。
[0021]圖2是根據本公開的一個實施例的信號拾取電路100的示例性電路圖，其具體實現圖1中所圖示的信號拾取電路100的模塊圖的各個單元。圖2中電源V3、V4、V5提供直流電，圖3和圖5中的電源V3、V4、V5也提供直流電。信號拾取電路100可以在變送器中使用，而這樣的變送器可以在流量計中使用。
[0022]信號拾取電路100用于拾取第一差分信號對(S卩LPO+及LP0-)和第二差分信號對(即，RPO+及RP0-)，包括:第一輸入端對V6，被配置為接收第一差分信號對;第二輸入端對V2，被配置為接收第二差分信號對;第一變壓器TXl;第二變壓器TX2;第一運算放大器OAl，第一運算放大器OAl的輸入端通過第一變壓器TXl與第一輸入端對耦合；以及第二運算放大器0A2，第二運算放大器0A2的輸入端通過第二變壓器TX2與第二輸入端對耦合。
[0023]即，在信號拾取電路100的輸入端對V6、V2分別輸入差分信號對:由正相差分信號LPO+和反相差分信號LPO-構成的第一差分信號對，第一差分信號對輸入輸入端對V6;由正相差分信號RPO+和反相差分信號RPO-構成的第二差分信號對，第二差分信號對輸入輸入端對V2。
[0024]第一運算放大器OAl和第二運算放大器0A2的型號例如可以是LM6132BIN。優選使用放大精度高、零漂低的運算放大器。
[0025]根據輸入的差分信號對中信號的頻率范圍選擇合適的第一變壓器TXl和第二變壓器TX2。對于流量計而言，常見的差分信號為200Hz量級，屬于低頻區域。因此，對于在流量計中使用的信號拾取電路，第一變壓器TXl和第二變壓器TX2可以選擇為低頻變壓器。
[0026]線性變壓器是常見的變壓器，其具有簡單的結構。在本實施例中，第一變壓器TXl和第二變壓器TX2選擇為線性變壓器。
[0027]優選第一變壓器TXl和第二變壓器TX2相同。具體而言，第一變壓器TXl的初級繞組和第二變壓器TX2的初級繞組的配置相同，或者基本相同，并且第一變壓器TXl的次級繞組和第二變壓器TX2的次級繞組的配置相同，或者基本相同。第一變壓器TXl和第二變壓器TX2的表征參數盡量一致。
[0028]進一步的，第一變壓器TXl的初級繞組的電感和第二變壓器TX2的初級繞組的電感相同，并且第一變壓器TXl的次級繞組的電感和第二變壓器TX2的次級繞組的電感相同。
[0029]優選，第一變壓器TXl的初級繞組的電感小于第一變壓器TX的次級繞組的電感，其中，第一、二變壓器TXl、TX2的初級繞組的電感盡量低。第一變壓器TXl的初級繞組的電感優選小于60mH。
[0030]例如，第一變壓器TXl的初級繞組的電感和第二變壓器TX2的初級繞組的電感都選擇為50mH;第一變壓器TXl的次級繞組的電感和第二變壓器TX2的次級繞組的電感都選擇為170mHo
[0031]為了檢驗信號拾取電路100的效果，選擇通用電路分析程序Pspice來進行電路仿真。圖2中示出了在仿真時使用的各個元件的參數(如電阻值、電感值、電容值)。需要注意的是，圖2中所示出的各元件的參數僅作為示例，本領域技術人員明白:可以根據實際情況，對這些參數進行適應性改變。
[0032]第一運算放大器OAl的輸出端輸出第一輸出LP0_0UT。第二運算放大器0A2的輸出端輸出第二輸出RP0_0UT。
[0033]通常情況下，拾取電路100的第一輸入端對V6中的輸入端(簡稱第一輸入端)、第二輸入端對V2中的輸入端(簡稱第二輸入端)是和地以及電路的承載殼體是電隔離的，在這樣的電隔離情況下，第一輸入端、第二輸入端對地或電路的承載殼體的阻抗通常為100ΜΩ量級(例如100ΜΩ以上)。但是由于環境濕度、輸入端無意間接地或輸入端無意間和電路的承載殼體接觸，導致第一輸入端、第二輸入端對地或電路的承載殼體的阻抗下降，例如將為IMΩ或更低。在圖2中，用R18表示第一輸入端無意間和電路的承載殼體接觸所導致的第一輸入端的對殼體的阻抗，用R19表示第二輸入端無意間和電路的承載殼體接觸所導致的第二輸入端的對殼體的阻抗。有意選擇R18為1ΜΩ、R19為3ΜΩ，來仿真輸入信號對殼不平衡短路。1?5、1?6、1?7和1?8的阻值選擇為10(^0，以增加OAl和0A2的增益。
[0034]在仿真時，將LP0+、LP0-、RP0+和RPO-均選擇為正弦交流信號，振幅為0.2V，頻率為200Hz，兩變壓器的耦合系數都選擇為I。
[0035]通過獲得正弦第一拾取信號LP0_0UT和第二拾取信號RP0_0UT的初始相位之間的差Δ φ，可以得到流量V。具體而言，ν= Δ t*k，其中，￥的單位為g/s;k為已知的流量校準因子(Flow calibrat1n factor，通常簡寫為FCF)，單位為g/ys; Δ t為第二拾取信號和第一拾取信號的最近鄰振幅峰所對應的時間之間的差，單位為ys。在仿真中k = I OOOgAis。
[0036]為了說明信號拾取電路100的有益效果。下面介紹一作為比較例的信號拾取電路300。
[0037]圖3圖示根據比較例的信號拾取電路300。和信號拾取電路100不同的是，V6和OAl之間沒有使用變壓器，V2和0A2之間也沒有使用變壓器，并且V6和V2均和地、電路的承載殼體無連接(即很好的電隔離)。設置從V6和V2輸入的信號，以對應50ns的時間差(用At0表不;即設置從V6和V2輸入的信號，第一差分信號對中的正相差分信號LPO+和第二差分信號對中的正相差分信號RPO+的初始相位之間的差為ω Δ to，Δ to = 50ns)，然后用Pspice仿真，獲得LP0_0UT和RP0_0UT的波形圖。對圖3所示的信號拾取電路300，所獲得的波形圖如圖4所示，其中，上波形圖對應LP0_0UT的波形圖，下波形圖對應RP0_0UT的波形圖。RP0_0UT和LP0_OUT的最近鄰振幅峰所對應的時間之間的差為:Δ t=1.253043ms-1.252993ms = 50ns。即，對和電路的承載殼體電隔離的拾取電路300，△ t= △ to，時間差未發生不希望的偏移。
[0038]當信號拾取電路300的輸入端對電路的承載殼體短路后，電路變為如圖5所示的電路50(LLP0+對地呈現1ΜΩ的阻抗。Pspice仿真結果表明:在輸入信號不變的情況下(即設置從V6和V2輸入的信號，第一差分信號對中的正相差分信號LPO+和第二差分信號對中的正相差分信號RPO+的初始相位之間的差為ω Δ to，Δ to = 50ns)，RP0_0UT和LP0_0UT的最近鄰振幅峰所對應的時間之間的差Δ t為:1.253084ms-l.252993ms = 91ns。相對于真實的50ns的時間差，發生41ns的不希望的偏移。這導致1000*0.041 =41g/s的流量偏移。
[0039]對于信號拾取電路100，PspiCe仿真結果表明:在輸入信號不變的情況下(即At0= 50ns)，Δ t為2.606587ms-2.606537ms = 50ns。即，變壓器的使用抑制了輸入對電路的承載殼體短路所引起的不希望的時間差偏移，保證了流量的測量準確性。
[0040]仿真表明，對信號拾取電路100，在第一差分信號對中的正相差分信號和第二差分信號對中的正相差分信號的頻率為200Hz，第一差分信號對中的正相差分信號和第二差分信號對中的正相差分信號的初始相位之間的差為零，并且第一輸入端和第二輸入端對地阻抗中的至少I個不高于10ΜΩ的情況下，第一運算放大器的輸出和第二運算放大器的輸出的最近鄰振幅峰所對應的時間之間的差能夠小于5ns，例如Ins。
[0041]圖6是使用圖1所示的信號拾取電路(具體可以例如是圖2所圖示的電路)的拾取信號的方法600的流程圖。方法600用于拾取第一差分信號對(LP0+及LP0-)和第二差分信號對(RP0+及RP0-)。在步驟603處接收兩個差分信號對，S卩，接收第一差分信號對和第二差分信號對。在步驟605處分別通過兩個變壓器將所接收的信號耦合到兩個運算放大器的輸入端，即，分別通過第一變壓器TXl和第二變壓器TX2將所接收的第一差分信號對和第二差分信號對耦合到第一運算放大器(OAl)和第二運算放大器(0A2)的輸入端。在步驟607處執行放大和輸出，將第一運算放大器和第二運算放大器各自的輸入信號放大并輸出放大的信號。
[0042]仿真表明，對方法600能夠獲得如下性能，在第一差分信號對中的正相差分信號和第二差分信號對中的正相差分信號的頻率為200Hz，第一差分信號對中的正相差分信號和第二差分信號對中的正相差分信號的初始相位之間的差為零，并且接收第一差分信號對的輸入端和接收第二差分信號對的輸入端中的至少一個的對地阻抗不高于10MΩ的情況下，第一運算放大器的輸出和第二運算放大器的輸出的最近鄰振幅峰所對應的時間之間的差能夠小于5ns，例如Ins。
[0043]信號拾取電路100及方法600能夠取得如下有益效果:在拾取信號期間增強電路的輸入抗共模干擾能力；用于抑制環境濕度對電路的兩輸出信號之間的差產生不希望的偏移;減弱電路的輸入信號對地短路對電路輸出信號造成的影響。尤其是在以下情況下，上述有益效果將更加明顯:第一輸入端和第二輸入端的對地阻抗中的至少I個不高于10ΜΩ。
[0044]盡管上面已經通過對本公開的具體實施例的描述對本公開進行了披露，但是，應該理解，本領域的技術人員可在所附權利要求的精神和范圍內設計對本公開的各種修改、改進或者等同物。這些修改、改進或者等同物也應當被認為包括在本公開的保護范圍內。
[0045]應該強調，術語“包括/包含”在本文使用時指特征、要素或組件的存在，但并不排除一個或更多個其它特征、要素或組件的存在或附加。涉及序數的術語“第一”或“第二”等并不表示這些術語所限定的特征、要素或組件的實施順序或者重要性程度，而僅僅是為了描述清楚起見而用于在這些特征、要素或組件之間進行標識。
【主權項】
1.一種信號拾取電路，用于拾取第一差分信號對和第二差分信號對，所述信號拾取電路包括: 第一輸入端對，被配置為接收所述第一差分信號對； 第二輸入端對，被配置為接收所述第二差分信號對； 第一變壓器； 第二變壓器； 第一運算放大器，所述第一運算放大器的輸入端通過所述第一變壓器與所述第一輸入端對耦合;以及 第二運算放大器，所述第二運算放大器的輸入端通過所述第二變壓器與所述第二輸入端對親合。2.根據權利要求1所述的信號拾取電路，其中，所述第一變壓器和所述第二變壓器為線性變壓器。3.根據權利要求1所述的信號拾取電路，其中，所述第一變壓器的初級繞組和所述第二變壓器的初級繞組的配置相同，并且所述第一變壓器的次級繞組和所述第二變壓器的次級繞組的配置相同。4.根據權利要求1所述的信號拾取電路，其中，所述第一變壓器的初級繞組的電感和所述第二變壓器的初級繞組的電感相同，并且所述第一變壓器的次級繞組和所述第二變壓器的次級繞組的電感相同。5.根據權利要求1所述的信號拾取電路，其中，所述第一變壓器的初級繞組的電感小于所述第一變壓器的次級繞組的電感。6.根據權利要求1所述的信號拾取電路，其中，所述第一變壓器的初級繞組的電感小于6 OmH ο7.—種變送器，包括權利要求1所述的信號拾取電路。8.一種流量計，包括權利要求7所述的變送器。
【文檔編號】G01F15/00GK205426257SQ201620119688
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年2月14日
【發明人】劉成珺, 高鳳川
【申請人】高準有限公司