涡街流量计实现的方式

1.1 实现的方式

 

  带通滤波可以采用单运放带通滤波器或者双运放高、低通滤波器级联实现。两种滤波器的比较如下。

 

  ①单运放带通滤波器是一个窄带选频网络，它的作用是选出中心频率，并对其他频率分量进行衰减。在中心频率两侧，随着品质因数Q的增大，幅频曲线的滚降特性加剧，这对于中心频率两侧的有效信号衰减比较严重，如图1（a）所示。级联带通滤波器在中心频率处的幅频特性要平坦许多，如图1（b）所示。

 

  ②在转折频率处，二阶单运放带通滤波器仅能提供-6dB/倍频的截止特性；而采用二阶高低通级联实现的带通滤波器可以得到-12dB/倍频的截止特性。

 

  ③选用高低通滤波器级联实现的带通滤波器，其截止频率便于调节，可以独立地进行高低通滤波器截止频率的设计。

 

  经以上比较，系统选用了后者级联方式。

 

1.2 滤波器的选择

 

  为了保证在通带范围内幅频特性尽可能平滑，系统选用了巴特沃斯函数滤波器。巴特沃斯滤波器在衰减和相位之间取得了折中；在通带和阻带内都没有纹波。因此，该滤波器也被称为zui大平坦滤波器。

 

1.3 拓扑结构的选择

 

  带通滤波器拓扑结构的选择通常需要综合考虑滤波器参数调整的难易程度、无源器件的非理想特性或者温度变化对于滤波器参数稳定性的影响程度，以及拓扑结构本身的复杂程度。

 

 常用的滤波器拓扑结构有频率相关负电阻电路FDNR（frequency-dependentnegativeresistor）、压控电压源电路VCVS（voltagecontrolvoltagesource）、多反馈滤波电路（multiplefeedback）和状态变量滤波电路（statevariable）等。其中，FDNR滤波器常用作滤波电路的旁路分支，并且增加了大量的电路元件；在VCVS电路中，元件的取值对于截止频率和品质因数均有影响，滤波器调节困难，且受元件参数非理想特性的影响剧烈，尤其是电容元件；状态变量滤波电路的参数可以独立调节，且受元件扩散的影响非常小，但增加了更多的电路元件；多重反馈电路的参数漂移灵敏度较小，且实现的电路规模适中。因此，对于涡街信号进行多组带通滤波，选用多反馈结构不论是在元件参数的影响程度还是电路的规模上都是适宜的。

 

1.4 带通滤波器组的设计原则

 

  根据实际涡街信号，需要设计多路带通滤波器，以覆盖整个涡街信号的频率范围，并且获得zui优的滤波效果。设计过程中需要遵循以下原则。

 

  ①将整个信号频率范围分为多个频率段，在每个小范围的频段内均可对信号进行更好的滤波。但频段过多会占用PCB较多的面积，而频段过少又会影响滤波效果；同时，考虑多路选择器的输入通常为8路，因此，将整个信号范围分为8个频段。工作过程中，单片机根据涡街流量信号少点数FFT的运算结果，通过各路选择器，实时选通其中1路的输出送入后端的整形电路。

 

  8个频段中相邻的频段要求相互叠加，以保证频率段的无缝切换。叠加的范围根据单片机少点数FFT的分辨率确定，保证在FFT计算的误差范围内不会选错带通。在较低频段，信号幅值小，为了获得更精确的滤波，提高信噪比，可以将频段范围选择得相对较窄；在较高频段，为保证信噪比，可以将频段范围选择得相对较宽。

 

  ②遇到有固定频率干扰点时，可以从干扰点的频率处对频段范围进行划分，使干扰点的频率位于较高频段内。如实际中经常遇到50Hz的工频干扰，我们选择较低频段范围为0~44Hz，较高频段范围为35~88Hz。这是因为在高频段信号的涡街信号幅值较大，相比较低频段信噪比更大。