穩(wěn)定模擬表頭讀數(shù)的機(jī)電阻尼法

在交付動(dòng)圈表頭之前，制造廠用一根連線將表頭的端子短路，以產(chǎn)生有效的電磁阻尼，防止運(yùn)輸中發(fā)生的外界機(jī)械振動(dòng)和沖擊。本設(shè)計(jì)實(shí)例將相同原理用于正常工作條件下的模擬表頭。將一只表頭連接到有低內(nèi)阻的電壓源，即施加電磁阻尼，使表頭的讀數(shù)更穩(wěn)定。在移動(dòng)系統(tǒng)或便攜系統(tǒng)應(yīng)用中增加對(duì)外界振動(dòng)和沖擊的防護(hù)能力非常重要，尤其是對(duì)車(chē)載設(shè)備。

舉例來(lái)說(shuō)，假設(shè)您的應(yīng)用需要測(cè)量0~10V 的電源（圖 1）。手頭有一塊滿(mǎn)量程額定電壓 VFS 為 50 mV，滿(mǎn)量程額定電流為 1mA 的典型機(jī)電式表頭。要得到 10V 的滿(mǎn)量程電壓范圍，就要串聯(lián)一只電阻 RS。首先，計(jì)算出表頭的內(nèi)阻 RCOIL：

然后，計(jì)算出增加的電阻值RS，如下：

RS的阻值一般要遠(yuǎn)大于RCOIL，因此顯著地降低了表頭運(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)電阻尼。雖然可以將表頭并聯(lián)一只電容器來(lái)增加阻尼，但這種方法也會(huì)增加表頭的穩(wěn)定時(shí)間。


圖2是一種更好的方法，動(dòng)圈式表頭連接到一個(gè)運(yùn)算放大器IC1的輸出，嵌入到一個(gè)深度負(fù)電壓反饋的環(huán)路中。由于運(yùn)放有極低的等效輸出阻抗，表頭端子處于“實(shí)際上短路”狀態(tài)，因而提供有效的機(jī)電阻尼作用，使電表讀數(shù)更穩(wěn)定，并提高了對(duì)振動(dòng)和沖擊的承受能力。在圖 2 中，由連接到運(yùn)放非反相輸入端的R1和R2組成的電阻分壓計(jì)，確定了表頭的滿(mǎn)量程讀數(shù)?？梢栽黾覴F和CF構(gòu)成一個(gè)優(yōu)選的高通濾波器，進(jìn)一步改進(jìn)表頭的穩(wěn)定時(shí)間。晶體管Q1和Q2也是優(yōu)選的，用途是增加過(guò)壓保護(hù)功能。注意在正常工作情況下，晶體管的正向基極射極電壓VBE應(yīng)數(shù)倍于表頭滿(mǎn)量程電壓VFS，后者一般為50mV~100mV。

一支具有滿(mǎn)擺幅輸出能力、單電源的微功耗運(yùn)放是這一應(yīng)用的上佳選擇。如果輸入電壓VIN超過(guò)運(yùn)放的最小電源電壓要求，可以將運(yùn)放的VCC管腳直接連接到輸入端，如圖 2 中虛線所示。這個(gè)電路實(shí)際上組合了表頭緩沖的優(yōu)點(diǎn)和傳統(tǒng)動(dòng)圈表頭無(wú)需外接電源的優(yōu)點(diǎn)而提高了抗振動(dòng)和沖擊的能力。運(yùn)放可以選擇市場(chǎng)上現(xiàn)有的滿(mǎn)擺幅輸出微功耗運(yùn)放，其耗電流要低于普通動(dòng)圈表頭的滿(mǎn)量程電流 IFS。例如，Maxim 的 MAX4289 功耗低至 1V 和 9mA，而 MAX4470要求的 最低電壓為 1.8V，但只需 750 nA 供電電流。

盡管這個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例只局限于直流電壓的測(cè)量，但也可以對(duì)電路作改進(jìn)，使之適用于交流電壓和直流電壓測(cè)量（圖 3）。圖中在滿(mǎn)擺幅輸出運(yùn)算放大器和電阻器R3、R4與R5基礎(chǔ)上（參考文獻(xiàn)1），增加了一個(gè)無(wú)二極管的精密全波整流級(jí)。電阻器R1和R2決定了滿(mǎn)量程讀數(shù)值。這個(gè)電路需要外接直流電源，以驅(qū)動(dòng)運(yùn)放IC1和IC2，限壓晶體管Q1和Q2是優(yōu)選的。