基于儀表放大器的傳感器信號采集電路設(shè)計(jì)

   1 引言 
        傳感器及其相關(guān)電路被用來測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。這些特性對傳感器起激勵的作用。傳感器的輸出經(jīng)過調(diào)理和處理，以對物理特性提供相應(yīng)的測量。

         數(shù)字信號處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ玫奶幚碓O(shè)備，以數(shù)值計(jì)算的方式對信號進(jìn)行采集、變換、估計(jì)與識別等加工處理，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不失真的放大以便于信號采集。本文介紹在一個智能隔振系統(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，他們在性能上與標(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條件下能夠放大很微弱的差分信號，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與其信號輸入端隔離的內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)絡(luò)。利用加到兩個差分輸入端的輸入信號，增益或是從內(nèi)部預(yù)置，或是通過也與信號輸入端隔離的內(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)誤差能通過外部的調(diào)整來修正，但是線性誤差是器件固有缺陷，他不能由外部調(diào)整來消除。一個高質(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，這個偏置電流流過不平衡的信號源電阻將產(chǎn)生一個失調(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帶寬在500 kHz~4 MHz之間。具有“檢測”端和“參考”端儀表放大器的獨(dú)特之處還在于帶有“檢測”端和“參考”端，允許遠(yuǎn)距離檢測輸出電壓而內(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信號，而且還能抑制其輸入端的共模信號。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如何連接到16 bit Simultaneous ADC AD7656。4～20 mA傳感器的信號是單端的。這一開始就提出了需要1只簡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增加與電流相關(guān)的失調(diào)誤差。
　　　　　　　　　
　　因此必須差分地檢測該電流。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(對應(yīng)4 mA輸入)與500 mV(對應(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)電流對應(yīng)于代碼819，1 LSB對應(yīng)0.61 mV。整個系統(tǒng)邏輯都通過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外部電阻器來設(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“電流反饋”結(jié)構(gòu)，使得AD627具有較好的共模抑制比。AD627的基本電路見圖3所示。其中A1與V1，R5構(gòu)成了第一個反饋回路，通過該回路可在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A2可形成另一個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差動模式時(shí)的增益為1+R4/R3，額定值為5。AD627是通過電阻RG來設(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，因而是傳感器信號檢測的較好選擇。

       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具有低輸入級工作電流。簡單地增加兩個輸入電阻器R1a和R1b的值或電容器C2的值，會以減小信號帶寬為代價(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，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開關(guān)時(shí)間，低電壓供電+1.8～+5.5 V，在視頻音頻開關(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，以符合整個系統(tǒng)的電源分配。由于本系統(tǒng)所使用的傳感器信號都是小信號能滿足ADG707的工作要求。
　　　　　　　　　　　　　　　
        7 AD7656的電路配置
　　

        電流型傳感器的信號是通過上述儀表放大器調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為電壓信號的，電壓型傳感器信號可以直接通過運(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的更新頻率都比較低，最大不超過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路同步采樣對于擴(kuò)展傳感器的個數(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
　　

        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)際問題需要考慮：
　　

        (1)AD627的增益是通過改變編程電阻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整流；整流后，這些信號在輸出中表現(xiàn)為直流失調(diào)誤差?？梢栽O(shè)計(jì)一個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，屏蔽電纜被用來減少噪聲；為了在整個頻率范圍內(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)說明了基于儀表放大器的傳感器信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)，并對容易遇到的問題進(jìn)行了剖析，從工程的角度提供了一種行之有效的方案。