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，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。