基于儀表放大器的傳感器信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

1、基于儀表放大器的傳感器信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)及其相關(guān)被用來測(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)舉行采集、變換、估量與識(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。儀表具有十分優(yōu)越的特性，能將傳感器十分微弱的信號(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)具有十分多的傳感器，而且信號(hào)類型都有很大的差別的狀況下如何用法儀表放大器將傳感器信號(hào)舉行調(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

2、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納的基礎(chǔ)部件()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)打算；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。輸入阻抗展現(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打算的閉環(huán)增益運(yùn)算放大器

3、不同，儀表放大器用法了一個(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11000。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70100 db以上。(2)高輸入阻抗要求儀表放大器必需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互相非常平衡，其典型值為1091012 低噪聲因?yàn)閮x表放大器必需能夠

4、處理十分低的輸入，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)誤差能通過外部的調(diào)節(jié)來修正，但是線性誤差是器件固有缺陷，他不能由外部調(diào)節(jié)來消退。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)電壓典型值分離為100 uv和2 mv。(5)低輸入偏置和失調(diào)電流誤差雙極型輸入運(yùn)算放大器的基極電流，fet型輸入運(yùn)算放大器的柵極電流，這個(gè)偏置電流流過不平衡的信號(hào)源電阻將產(chǎn)生一個(gè)失調(diào)誤差。

5、雙極型輸入儀表放大器的偏置電流典型值為1 na50 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 khz4 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70100 db。當(dāng)增益提高時(shí)，cmr通常還能獲得充實(shí)。3 電流型傳

6、感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖1示出420 ma電流型傳感器的信號(hào)如何銜接到16 bit simultaneous ad765*20 ma傳感器的信號(hào)是單端的。這一開頭就提出了需要1只容易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)增強(qiáng)與電流相關(guān)的失調(diào)誤差。因此必需差分地檢測(cè)該電流。在本系統(tǒng)中，1只24.9 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狀況下，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

7、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。囫圇系統(tǒng)規(guī)律都通過舉行控制并與舉行數(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。他采納單、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，并具有極佳的溝通和直流特性。ad627采納工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8腳封裝，引腳羅列圖2所示。ad627的最大特點(diǎn)是允許用戶用法一個(gè)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。因?yàn)橛休^好的高頻共模抑制比，ad627可保持最小的高頻誤差，也正是由于a

8、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采納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，只是詳情有所不同。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的基本電路見圖3所示。其中a1與v1，r5構(gòu)成了第一個(gè)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(gè)幾乎徹低相同的反饋環(huán)，他可使q2的電流和q1相等，同時(shí)a2還可提供輸出電壓。

9、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 k/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)用法0.1%的外部增益設(shè)置電阻以避開全增益誤差的較大衰減。另外，增益設(shè)置電阻rg的挑選可以從標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置電阻表中選取最臨近的值。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溝通性能，并且可以便利的用外部電阻設(shè)定增益

10、，因而是傳感器信號(hào)檢測(cè)的較好挑選。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。ad627具有低輸入級(jí)工作電流。容易地增強(qiáng)兩個(gè)輸入電阻器r1a和r1b的值或器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。因?yàn)閍d627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)，所以可以用法較高的輸入電阻器而不會(huì)嚴(yán)峻降低電路的噪聲性能。為了用法較高阻值的輸入電阻器，設(shè)計(jì)出rc rfi電路，4所示。濾波器的帶寬大約為200 hz。在增益為100的條件下，1 hz20 mhz輸入范圍內(nèi)施加1 vp-p輸入信號(hào)，rti最

11、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。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 ，40 ns開關(guān)時(shí)光，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)域有十分廣泛的應(yīng)用。在本系統(tǒng)中用法3.3 v的電壓供電，以符合囫圇系統(tǒng)的電源分配。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)所用法的傳感器信號(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

12、器信號(hào)可以挺直通過運(yùn)算放大器(例如，ad8021)輸入ad7656。本系統(tǒng)用法16 b adc ad7656，能滿足系統(tǒng)的高精度要求，同時(shí)系統(tǒng)中所采納的傳感器信號(hào)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，明顯能滿足要求。ad7656可以舉行6路同步采樣對(duì)于擴(kuò)展傳感器的個(gè)數(shù)提供了十分大的余地。ad7656的電路配置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的增益是通過轉(zhuǎn)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)用法誤差小于0.1% 1%的電阻；同時(shí)，為了保持增益的高穩(wěn)定性，避開高的增益漂移，應(yīng)挑選低溫度系數(shù)的電阻。(2)因?yàn)閍d627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)銜接于低阻抗點(diǎn)。(3)全部的儀表放大