基于儀表放大器的傳感器信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

   1 引言 
        傳感器及其相關(guān)電路被用來(lái)測(cè)量各種不同的物理特性，例如溫度、力、壓力、流量、位置、光強(qiáng)等。這些特性對(duì)傳感器起激勵(lì)的作用。傳感器的輸出經(jīng)過(guò)調(diào)理和處理，以對(duì)物理特性提供相應(yīng)的測(cè)量。

         數(shù)字信號(hào)處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ玫奶幚碓O(shè)備，以數(shù)值計(jì)算的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、估計(jì)與識(shí)別等加工處理，從而達(dá)到提取信息和便于應(yīng)用的目的。儀表放大器具有非常優(yōu)越的特性，能將傳感器非常微弱的信號(hào)不失真的放大以便于信號(hào)采集。本文介紹在一個(gè)智能隔振系統(tǒng)中，傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有非常多的傳感器，而且信號(hào)類型都有很大的差別的情況下如何使用儀表放大器將傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)理以符合模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的工作范圍。

         2 儀表放大器在傳感器信號(hào)調(diào)理電路中的應(yīng)用
　　

         儀表放大器是一種高增益、直流耦合放大器，他具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比等特點(diǎn)。差分放大器和儀表放大器所采用的基礎(chǔ)部件(運(yùn)算放大器)基本相同，他們?cè)谛阅苌吓c標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器有很大的不同。標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器是單端器件，其傳輸函數(shù)主要由反饋網(wǎng)絡(luò)決定；而差分放大器和儀表放大器在有共模信號(hào)條件下能夠放大很微弱的差分信號(hào)，因而具有很高的共模抑制比(CMR)。他們通常不需要外部反饋網(wǎng)絡(luò)。
　　

         儀表放大器是一種具有差分輸入和其輸出相對(duì)于參考端為單端輸出的閉環(huán)增益單元。輸入阻抗呈現(xiàn)為對(duì)稱阻抗且具有大的數(shù)值(通常為109或更大)。與由接在反向輸入端和輸出端之間的外部電阻決定的閉環(huán)增益運(yùn)算放大器不同，儀表放大器使用了一個(gè)與其信號(hào)輸入端隔離的內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)絡(luò)。利用加到兩個(gè)差分輸入端的輸入信號(hào)，增益或是從內(nèi)部預(yù)置，或是通過(guò)也與信號(hào)輸入端隔離的內(nèi)部或外部增益電阻器由用戶設(shè)置。典型儀表放大器的增益設(shè)置范圍為1～1000。

         儀表放大器的特點(diǎn)：

         (1)高共模抑制比
　　

         共模抑制比(CMRR)則是差模增益(Ad)與共模增益(Ac)之比，即：CMRR=20lg(Ad/Ac)dB；儀表放大器具有很高的共模抑制比，CMRR典型值為70～100 dB以上。

         (2)高輸入阻抗
　　

         要求儀表放大器必須具有極高的輸入阻抗，儀表放大器的同相和反相輸入端的阻抗都很高而且相互十分平衡，其典型值為109～1012 Ω低噪聲由于儀表放大器必須能夠處理非常低的輸入電壓，因此儀表放大器不能把自身的噪聲加到信號(hào)上，在1 kHz條件下，折合到輸入端的輸入噪聲要求小于10 nV/Hz。

         (3)低線性誤差
　　

         輸入失調(diào)和比例系數(shù)誤差能通過(guò)外部的調(diào)整來(lái)修正，但是線性誤差是器件固有缺陷，他不能由外部調(diào)整來(lái)消除。一個(gè)高質(zhì)量的儀表放大器典型的線性誤差為0.01%，有的甚至低于0.0001%。

         (4)低失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移
　　

         儀表放大器的失調(diào)漂移也由輸入和輸出兩部分組成，輸入和輸出失調(diào)電壓典型值分別為100 uV和2 mV。

         (5)低輸入偏置電流和失調(diào)電流誤差
　　

         雙極型輸入運(yùn)算放大器的基極電流，F(xiàn)ET型輸入運(yùn)算放大器的柵極電流，這個(gè)偏置電流流過(guò)不平衡的信號(hào)源電阻將產(chǎn)生一個(gè)失調(diào)誤差。雙極型輸入儀表放大器的偏置電流典型值為1 nA~50 pA,而FET輸入的儀表放大器在常溫下的偏置電流典型值為50 pA。

         (6)充裕的帶寬
　　

         儀表放大器為特定的應(yīng)用提供了足夠的帶寬，典型的單位增益小信號(hào)帶寬在500 kHz~4 MHz之間。具有“檢測(cè)”端和“參考”端儀表放大器的獨(dú)特之處還在于帶有“檢測(cè)”端和“參考”端，允許遠(yuǎn)距離檢測(cè)輸出電壓而內(nèi)部電阻壓降和地線壓降(IR)的影響可減至最小。
　　

         為了有效地工作，要求儀表放大器不僅能放大微伏級(jí)信號(hào)，而且還能抑制其輸入端的共模信號(hào)。這就要求儀表放大器具有很大的共模抑制(CMR)：典型的CMR值為70～100 dB。當(dāng)增益提高時(shí)，CMR通常還能獲得改善。

      3 電流型傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
　　

       圖1示出4～20 mA電流型傳感器的信號(hào)如何連接到16 bit Simultaneous ADC AD7656。4～20 mA傳感器的信號(hào)是單端的。這一開(kāi)始就提出了需要1只簡(jiǎn)單的分流電阻器以便把電流轉(zhuǎn)換成電壓加到ADC的高阻抗模擬輸入端。然而，回路(到傳感器)中的任何線路電阻都會(huì)增加與電流相關(guān)的失調(diào)誤差。
　　　　　　　　　
　　因此必須差分地檢測(cè)該電流。在本系統(tǒng)中，1只24.9 Ω的分流電阻器在AD627的輸入端產(chǎn)生介于100 mV(對(duì)應(yīng)4 mA輸入)與500 mV(對(duì)應(yīng)20 mA 輸入)之間的最大差分輸入電壓 在不存在增益電阻器的情況下，AD627把該500 mV輸入電壓放大5倍達(dá)到2.5 V，即ADC的滿度輸入電壓。4 mA的零點(diǎn)電流對(duì)應(yīng)于代碼819，1 LSB對(duì)應(yīng)0.61 mV。整個(gè)系統(tǒng)邏輯都通過(guò)CPLD進(jìn)行控制并與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　4 低功耗儀表放大器AD627特點(diǎn)及性能
　　

　　AD627是一種低功耗的儀表放大器。他采用單、雙兩種電源供電，并可實(shí)現(xiàn)軌-軌輸出。AD627在85 uA的電流下即可正常工作，并具有極佳的交流和直流特性。AD627采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8腳封裝，引腳排列圖如圖2所示。
　　　　　　

　　AD627的最大特點(diǎn)是允許用戶使用一個(gè)外部電阻器來(lái)設(shè)定增益。AD627的失調(diào)電壓、失調(diào)漂移、增益誤差和增益漂移均較低，因此，AD627可將用戶系統(tǒng)的直流誤差降到最低。由于有較好的高頻共模抑制比，AD627可保持最小的高頻誤差，也正是因?yàn)锳D627具有較高的CMRR特性(可高達(dá)200 Hz)，從而使得傳輸線干擾和傳輸線諧波等都被排斥掉了。AD627采用真正的儀用放大器結(jié)構(gòu)，他有兩個(gè)反饋環(huán)。其基本結(jié)構(gòu)和典型的“雙運(yùn)放”儀用放大器類似，只是細(xì)節(jié)有所不同。另外，AD627所具有的一個(gè)“電流反饋”結(jié)構(gòu)，使得AD627具有較好的共模抑制比。AD627的基本電路見(jiàn)圖3所示。其中A1與V1，R5構(gòu)成了第一個(gè)反饋回路，通過(guò)該回路可在Q1上得到穩(wěn)定的集電極電流(假設(shè)增益設(shè)定電阻此時(shí)不存在)。電阻R1和R2組成的反饋環(huán)可使A1的輸出電壓和反向端電壓相等。通過(guò)A2可形成另一個(gè)幾乎完全相同的反饋環(huán)，他可使Q2的電流和Q1相等，同時(shí)A2還可提供輸出電壓。當(dāng)兩個(gè)環(huán)平衡時(shí)，同向端到VOUT的增益為5，A1輸出到VOUT的增益為-4，A1的反向端增益是A2增益的1.25倍。AD627差動(dòng)模式時(shí)的增益為1+R4/R3，額定值為5。AD627是通過(guò)電阻RG來(lái)設(shè)定增益的。
　　

        增益G的設(shè)定可按下式確定：G=5+(200 kΩ/RG)可以看出：AD627的最小增益為5(RG=∞時(shí))，在其增益精確度為0.05%～0.7%時(shí)，應(yīng)使用0.1%的外部增益設(shè)置電阻以避免全增益誤差的較大衰減。另外，增益設(shè)置電阻RG的選擇可以從標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置電阻表中選取最接近的值。分并檢單雙電源供電的軌一軌儀用放大器AD627比分立元器設(shè)計(jì)的放大器具有較好的直流交流性能，并且可以方便的用外部電阻設(shè)定增益，因而是傳感器信號(hào)檢測(cè)的較好選擇。

       5 儀表放大器RFI抑制電路設(shè)計(jì) 　　

        微功耗儀表放大器AD627易受RF整流的影響，需要更具魯棒性的濾波器。AD627具有低輸入級(jí)工作電流。簡(jiǎn)單地增加兩個(gè)輸入電阻器R1a和R1b的值或電容器C2的值，會(huì)以減小信號(hào)帶寬為代價(jià)提供進(jìn)一步的RF衰減。由于AD627儀表放大器具有比通用IC(例如，AD620系列器件)更高的噪聲(38 nV/Hz)，所以可以使用較高的輸入電阻器而不會(huì)嚴(yán)重降低電路的噪聲性能。為了使用較高阻值的輸入電阻器，設(shè)計(jì)出RC RFI電路，如圖4所示。濾波器的帶寬大約為200 Hz。在增益為100的條件下，1 Hz～20 MHz輸入范圍內(nèi)施加1 Vp-p輸入信號(hào)，RTI最大DC失調(diào)漂移大約為400 uV。在相同增益條件下，該電路的RF信號(hào)抑制能力(輸出端的RF幅度/施加到輸入端的RF幅度)優(yōu)于61 dB。如圖4所示：
　

　　6 差分模擬多路復(fù)用器ADG707介紹
　　

        ADG707是8 to 1差分輸入模擬多路復(fù)用器，低導(dǎo)通電阻小到2.5 Ω，40 ns開(kāi)關(guān)時(shí)間，低電壓供電+1.8～+5.5 V，在視頻音頻開(kāi)關(guān)，數(shù)據(jù)保持系統(tǒng)，通信系統(tǒng)等領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。在本系統(tǒng)中使用3.3 V的電壓供電，以符合整個(gè)系統(tǒng)的電源分配。由于本系統(tǒng)所使用的傳感器信號(hào)都是小信號(hào)能滿足ADG707的工作要求。
　　　　　　　　　　　　　　　
        7 AD7656的電路配置
　　

        電流型傳感器的信號(hào)是通過(guò)上述儀表放大器調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的，電壓型傳感器信號(hào)可以直接通過(guò)運(yùn)算放大器(例如，AD8021)輸入AD7656。本系統(tǒng)使用16 b ADC AD7656，能滿足系統(tǒng)的高精度要求，同時(shí)系統(tǒng)中所采用的傳感器信號(hào)的更新頻率都比較低，最大不超過(guò)20 kHz，而AD7656的采樣頻率為250 kb/s，顯然能滿足要求。AD7656可以進(jìn)行6路同步采樣對(duì)于擴(kuò)展傳感器的個(gè)數(shù)提供了非常大的余地。AD7656的電路配置如圖5所示：

        8 結(jié)語(yǔ)
　　

        設(shè)計(jì)考慮在儀表放大器的電路設(shè)計(jì)中，以下一些實(shí)際問(wèn)題需要考慮：
　　

        (1)AD627的增益是通過(guò)改變編程電阻RG實(shí)現(xiàn)的。為了使AD627的輸出電壓增益精確，應(yīng)使用誤差小于0.1% ～1%的電阻；同時(shí)，為了保持增益的高穩(wěn)定性，避免高的增益漂移，應(yīng)選擇低溫度系數(shù)的電阻。
　　

        (2)由于AD627的輸出電壓為相對(duì)于基準(zhǔn)端的電壓，為獲得較高的共模抑制比，REF引腳應(yīng)連接于低阻抗點(diǎn)。
　

        (3)所有的儀表放大器都能將通帶外的高頻信號(hào)整流；整流后，這些信號(hào)在輸出中表現(xiàn)為直流失調(diào)誤差。可以設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器防止不必要的噪聲到達(dá)差分輸入端。在很多應(yīng)用中，屏蔽電纜被用來(lái)減少噪聲；為了在整個(gè)頻率范圍內(nèi)得到最好的共模抑制比，屏蔽層必須正確連接。在本文中，結(jié)合本人的工作實(shí)際詳細(xì)說(shuō)明了基于儀表放大器的傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)，并對(duì)容易遇到的問(wèn)題進(jìn)行了剖析，從工程的角度提供了一種行之有效的方案。