基于虛擬儀器的高精度壓力信號(hào)放大系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 微弱信號(hào)的放大要求高、難度大，涉及信號(hào)放大以及信號(hào)放大的穩(wěn)定性及精密度要求。差動(dòng)放大技術(shù)由于具有抑制共模信號(hào)而僅放大差模信號(hào)、增益高的特點(diǎn)，被應(yīng)用于小信號(hào)放大技術(shù)中。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用具有差分放大功能的AD620芯片，放大了應(yīng)變式傳感器的微弱電壓信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高精度的要求。采用虛擬儀器技術(shù)對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行采集和分析處理，并編寫相應(yīng)的顯示界面。用二階插值法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了電路的精確性。
關(guān)鍵詞 AD620；二階插值；LabVIEW；測(cè)力傳感器

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    系統(tǒng)由直流穩(wěn)壓源提供±12 V和±5 V兩種電壓。設(shè)定±12 V供電時(shí)，系統(tǒng)電壓輸出滿量程為5V，傳感器承受靜壓力滿量程為19．6N。滿量程范圍內(nèi)測(cè)量時(shí)，靜壓力信號(hào)最大絕對(duì)誤差<9．8×10-3N，相對(duì)誤差<0．02％。測(cè)力傳感器輸出信號(hào)經(jīng)放大電路后提供電壓和電流兩種輸出方式。

2 系統(tǒng)硬件電路整體設(shè)計(jì)方案
    系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。系統(tǒng)硬件電路主要由LC7012測(cè)式力傳感器、AD620儀表放大器、參考電壓源以及電壓調(diào)零電路、信號(hào)濾波整形電路和電壓電流轉(zhuǎn)換電路組成。

2．1 壓力測(cè)量電路
    壓力測(cè)量采用LC7012測(cè)力傳感器，配以全橋測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)。LC7012測(cè)力傳感器受到壓力作用時(shí)有以下兩個(gè)特點(diǎn)：(1)同樣壓力情況下傳感器應(yīng)變片的應(yīng)變量和電橋的輸出電壓是常量，且與壓力作用在傳感器受力端的精確位置無關(guān)。(2)應(yīng)變片組成的全橋電路的輸出電壓與壓力基本成線性關(guān)系。
    LC7012測(cè)力傳感器中4片電阻應(yīng)變片粘貼在雙孔梁的應(yīng)變區(qū)，在有靜壓力作用時(shí)，雙孔梁在壓力和系統(tǒng)底盤對(duì)雙孔梁的支持力的作用下產(chǎn)生四邊形形變。4片應(yīng)變片以全橋方式接成全橋電路，在供橋電壓的激勵(lì)下，隨壓力不同而輸出不同的微弱電壓信號(hào)，放大電路將電橋送來的微弱電壓信號(hào)進(jìn)行放大。
    全橋式等臂電橋的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)稱性強(qiáng)、靈敏度高、各臂參數(shù)一致性好，各種干擾的影響可以相互抵消，比如可以抑制溫度變化的影響，以及抑制側(cè)向力的干擾、較方便地解決測(cè)力傳感器的補(bǔ)償?shù)葐栴}。全橋測(cè)量電路可使輸出的微弱電壓信號(hào)，盡可能地排除由電路本身干擾而引起的誤差，為系統(tǒng)整體精度要求提供最初的保障。
2．2 電壓信號(hào)放大電路
    為提高電橋輸出的微弱電壓信號(hào)的放大精度，信號(hào)放大電路選用ADI公司生產(chǎn)的AD620芯片為核心原件，并為其設(shè)計(jì)專門的可調(diào)參考電壓源，以滿足不同電壓源供電對(duì)參考電壓的需求和精確放大微弱信號(hào)的需求。
    AD620是一款低成本、高精度的儀表放大器，僅需一個(gè)外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為1～10 000 dB。且AD620功耗低，最大工作電流為1．3 mA。AD620具有高精度(最大線性度40×10-6)、低失調(diào)電壓(最大50μV)和低失調(diào)漂移(最大0．6μV／℃)的特性，是傳感器接口等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想選擇。
    AD620單片結(jié)構(gòu)和激光晶體調(diào)整，允許電路元件緊密匹配和跟蹤，從而保證電路固有的高性能。AD620為三運(yùn)放集成的儀表放大器結(jié)構(gòu)，為保護(hù)增益控制的高精度，其輸入端的三極管提供差分雙極輸入，并采用β工藝獲得更低的輸入偏置電流，通過輸入級(jí)內(nèi)部運(yùn)放的反饋，保持輸入三極管的集電極電流恒定，并使輸入電壓加到外部增益控制電阻RG上。AD620內(nèi)部增益電阻以調(diào)整至絕對(duì)值24．7 kΩ，因此利用一個(gè)外部電阻便可實(shí)現(xiàn)對(duì)增益的精確編程。
    增益公式為
   
    AD620放大后的電壓信號(hào)可通過濾波整形電路，并經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊用數(shù)碼管以數(shù)字形式顯示。為充分利用和展示虛擬儀器的功能，系統(tǒng)使用LabVIEW設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)采集處理程序和顯示器界面。
2．3 參考電壓源電路和電壓調(diào)零電路
    參考電壓源電路主要由一個(gè)穩(wěn)壓二極管LM285、一個(gè)低功耗雙運(yùn)算放大器芯片LM258、一只可變電阻和若干固定阻值電阻組成，如圖2左下部分。該參考電壓源電路可為AD620提供1．25 V或2．5 V精確參考電壓。

    穩(wěn)壓二極管LM285提供初級(jí)穩(wěn)定電壓，但由于二極管的溫漂較大，且同批次不同二極管的穩(wěn)壓值也不盡相同，所以必須對(duì)其設(shè)計(jì)相應(yīng)的輔助穩(wěn)壓電路。運(yùn)算放大器LM258U1A對(duì)來自穩(wěn)壓二極管的電壓進(jìn)行放大，并通過反饋電阻R2對(duì)輸出電壓進(jìn)行反饋，使得輸出電壓更加穩(wěn)定。電阻R5和電位器W1對(duì)穩(wěn)壓二極管的輸出電壓進(jìn)行分壓。電位器W1有兩個(gè)作用：(1)調(diào)節(jié)W1可使得由運(yùn)算放大器LM258U1B組成的電壓跟隨器有不同的輸出電壓，進(jìn)而對(duì)AD620提供不同的穩(wěn)定參考電壓。(2)電位器W1還對(duì)AD620組成的放大電路起到調(diào)零作用。使用電壓跟隨器是因?yàn)殡妷焊S器可以提高輸入阻抗且降低輸出阻抗，而電源的要求正是需要電路有較小的輸出電阻。
    AD620本身具有內(nèi)部調(diào)零功能，但根據(jù)實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)差分輸入為零時(shí)輸出并不為零，而是大約有零點(diǎn)幾mV的輸出，所以，為提高輸出的精確性，還需對(duì)AD620進(jìn)行外部調(diào)零，通過對(duì)AD620參考電壓管腳提供不同參考電壓可使得儀表放大器AD620輸出端在差分輸入為零時(shí)，輸出電壓對(duì)地為零。電路正是通過調(diào)節(jié)W1使得電壓跟隨器輸出端有不同的電壓輸出，調(diào)節(jié)AD620的參考電壓，從而起到對(duì)AD620調(diào)零的作用。
    參考電壓不穩(wěn)定會(huì)直接影響到由AD620組成的放大電路的穩(wěn)定性，并導(dǎo)致最終輸出結(jié)果的不精確。所以系統(tǒng)并沒有直接采用直流穩(wěn)壓源提供的相對(duì)穩(wěn)定的-12 V或-5 V作為參考電壓。
2．4 電壓電流轉(zhuǎn)換電路
    電壓電流轉(zhuǎn)換電路使系統(tǒng)可以以電流的形式輸出，由AD620與一個(gè)AD705運(yùn)算放大器和兩個(gè)電阻相結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)靜謐的電流源，AD705為基準(zhǔn)引腳提供緩沖，以確保良好的共模抑制(CMR)性能。AD620的輸出電壓出現(xiàn)在電阻RL上，后者將其轉(zhuǎn)換成電流輸出。

    AD705是低功耗、雙極型的運(yùn)算放大器，它具有雙極型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸入級(jí)。因此，具有輸入阻抗高、輸入失調(diào)電壓低、輸入偏置電流小、輸入失調(diào)電壓漂移小的特點(diǎn)。輸入偏置電流達(dá)到了pA級(jí)的水平，它既具有雙極型場(chǎng)效應(yīng)晶體管與雙極型運(yùn)算放大器的許多優(yōu)點(diǎn)，又克服了全溫度范圍內(nèi)偏置電流漂移大的缺陷。在全溫度范圍內(nèi)，AD705的偏置電流典型值僅增長(zhǎng)5倍，而一般的雙極型場(chǎng)效應(yīng)晶體管運(yùn)算放大器偏置電流要增長(zhǎng)1 000倍。與OP07相比，溫度漂移值為OP07的1／2，最大輸入偏置電流僅為OP07的1／5，輸入失調(diào)電壓僅為OP07的1／20。由于是雙極型場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸入極，因此，信號(hào)源阻抗比OP07高得多，而它的直流精度卻保持不變。

3 系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)方案
    系統(tǒng)軟件采用LabVIEW編寫。LabVIEW是一種圖形化的編程語言，作為數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件的標(biāo)準(zhǔn)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。LabVIEW是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器。在一個(gè)硬件的情況下，通過改變軟件編程，就可以實(shí)現(xiàn)不同儀器的不同功能，方便、快捷。
    結(jié)合當(dāng)前測(cè)試領(lǐng)域儀器發(fā)展新方向，最終輸出模擬電壓信號(hào)選用研華USB4716通用數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行采集，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。使用NI虛擬儀器(LabVIEW)設(shè)計(jì)電壓信號(hào)采集控制程序和電壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示界面。利用LabVIEW軟件平臺(tái)分析、處理來自USB4716的數(shù)字電壓信號(hào)。LabVIEW電壓信號(hào)采集控制和顯示的部分程序如圖4所示。

4 定量測(cè)試及結(jié)果分析
4．1 數(shù)據(jù)處理方法
    二階插值(拋物線插值)：在一組數(shù)據(jù)中選取(x0，y0)，(x1，y1)，(x2，y2)這3點(diǎn)，相應(yīng)的插值方程
   
4．2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果
    為取得壓力與電壓的精確對(duì)應(yīng)關(guān)系，方便后續(xù)絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差的分析，實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)測(cè)量方法，測(cè)量一系列的靜壓力值，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定量分析，從而測(cè)定電路精度，而沒有采用常用的波形時(shí)域和頻域分析的方式。

    在滿量程范圍內(nèi)由小到大測(cè)量20個(gè)靜壓力值，并使壓力增量△相同。令△=0．98 N，采用二階插值法分析電壓與壓力對(duì)應(yīng)的關(guān)系。由表1中選取具有代表性的3點(diǎn)：(x0，y0)=(0，0)；(x1，y1)=(2．498 V，9．8 N)；(x2，y2)：(5．001 V，19．6 N)。帶入二階插值
公式得傳感器所受壓力與系統(tǒng)輸出電壓關(guān)系曲線為
    y=(-1．568×10-3)x2+3．927x       (3)
4．3 誤差分析
    絕對(duì)誤差反映測(cè)量值偏離真實(shí)值的大小，即測(cè)量值與真實(shí)值之差的絕對(duì)值。絕對(duì)誤差可定義為
    ε=|X-L|         (4)
    式中，ε為絕對(duì)誤差；X為測(cè)量值；L為真實(shí)值。
    相對(duì)誤差是絕對(duì)誤差與測(cè)量值或多次測(cè)量平均值的比值，并且通常將其結(jié)果表示成百分?jǐn)?shù)的形式，所以也叫百分誤差。
    絕對(duì)誤差可以表示一個(gè)測(cè)量結(jié)果的可靠程度，而相對(duì)誤差則可以比較不同測(cè)量結(jié)果的可靠性。當(dāng)用同一種工具測(cè)量時(shí)，被測(cè)量的數(shù)值越大，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差就越小。

    應(yīng)變式壓力傳感器試驗(yàn)系統(tǒng)的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差如圖5和圖6所示。兩圖中分別給出了出另外兩種數(shù)據(jù)處理方法：線性插值法和平均選點(diǎn)法的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差曲線。從圖5和圖6中可以看出，二階插值法計(jì)算精度高于其他兩種方法，也證明該數(shù)據(jù)處理方法的選擇是正確的。

5 結(jié)束語
    由相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差圖知，在0～4．9 N范圍內(nèi)電路的測(cè)量結(jié)果誤差較大，但仍滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過對(duì)傳感器及實(shí)驗(yàn)測(cè)量電路的分析，認(rèn)為誤差較大的原因來自于傳感器的懸臂梁材料剛性以及固定應(yīng)變片的粘性材料的柔性影響。由于電橋輸出的微弱電壓信號(hào)精確度受到影響，在經(jīng)過放大電路后，誤差也被放大，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在測(cè)量值較小時(shí)誤差較大。綜上所述，該壓力信號(hào)放大系統(tǒng)滿足：滿量程絕對(duì)誤差<9．8×10-3N，相對(duì)誤差的設(shè)計(jì)要求。