基于虛擬儀器的高精度壓力信號放大系統(tǒng)設計

摘要 微弱信號的放大要求高、難度大，涉及信號放大以及信號放大的穩(wěn)定性及精密度要求。差動放大技術(shù)由于具有抑制共模信號而僅放大差模信號、增益高的特點，被應用于小信號放大技術(shù)中。系統(tǒng)設計采用具有差分放大功能的AD620芯片，放大了應變式傳感器的微弱電壓信號，以實現(xiàn)系統(tǒng)高精度的要求。采用虛擬儀器技術(shù)對放大后的信號進行采集和分析處理，并編寫相應的顯示界面。用二階插值法對測量數(shù)據(jù)進行分析，驗證了電路的精確性。
關鍵詞 AD620；二階插值；LabVIEW；測力傳感器

1 系統(tǒng)設計方案
    系統(tǒng)由直流穩(wěn)壓源提供±12 V和±5 V兩種電壓。設定±12 V供電時，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)測量時，靜壓力信號最大絕對誤差<9．8×10-3N，相對誤差<0．02％。測力傳感器輸出信號經(jīng)放大電路后提供電壓和電流兩種輸出方式。

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

2．1 壓力測量電路
    壓力測量采用LC7012測力傳感器，配以全橋測量電路實現(xiàn)。LC7012測力傳感器受到壓力作用時有以下兩個特點：(1)同樣壓力情況下傳感器應變片的應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。(2)應變片組成的全橋電路的輸出電壓與壓力基本成線性關系。
    LC7012測力傳感器中4片電阻應變片粘貼在雙孔梁的應變區(qū)，在有靜壓力作用時，雙孔梁在壓力和系統(tǒng)底盤對雙孔梁的支持力的作用下產(chǎn)生四邊形形變。4片應變片以全橋方式接成全橋電路，在供橋電壓的激勵下，隨壓力不同而輸出不同的微弱電壓信號，放大電路將電橋送來的微弱電壓信號進行放大。
    全橋式等臂電橋的結(jié)構(gòu)簡單、對稱性強、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、較方便地解決測力傳感器的補償?shù)葐栴}。全橋測量電路可使輸出的微弱電壓信號，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 電壓信號放大電路
    為提高電橋輸出的微弱電壓信號的放大精度，信號放大電路選用ADI公司生產(chǎn)的AD620芯片為核心原件，并為其設計專門的可調(diào)參考電壓源，以滿足不同電壓源供電對參考電壓的需求和精確放大微弱信號的需求。
    AD620是一款低成本、高精度的儀表放大器，僅需一個外部電阻來設置增益，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為三運放集成的儀表放大器結(jié)構(gòu)，為保護增益控制的高精度，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，通過輸入級內(nèi)部運放的反饋，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)整至絕對值24．7 kΩ，因此利用一個外部電阻便可實現(xiàn)對增益的精確編程。
    增益公式為
   
    AD620放大后的電壓信號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設計相應的信號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穩(wěn)壓二極管LM285、一個低功耗雙運算放大器芯片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，所以必須對其設計相應的輔助穩(wěn)壓電路。運算放大器LM258U1A對來自穩(wěn)壓二極管的電壓進行放大，并通過反饋電阻R2對輸出電壓進行反饋，使得輸出電壓更加穩(wěn)定。電阻R5和電位器W1對穩(wěn)壓二極管的輸出電壓進行分壓。電位器W1有兩個作用：(1)調(diào)節(jié)W1可使得由運算放大器LM258U1B組成的電壓跟隨器有不同的輸出電壓，進而對AD620提供不同的穩(wěn)定參考電壓。(2)電位器W1還對AD620組成的放大電路起到調(diào)零作用。使用電壓跟隨器是因為電壓跟隨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)實際測量發(fā)現(xiàn)，當差分輸入為零時輸出并不為零，而是大約有零點幾mV的輸出，所以，為提高輸出的精確性，還需對AD620進行外部調(diào)零，通過對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，輸出電壓對地為零。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AD620調(diào)零的作用。
    參考電壓不穩(wěn)定會直接影響到由AD620組成的放大電路的穩(wěn)定性，并導致最終輸出結(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AD705運算放大器和兩個電阻相結(jié)合，構(gòu)成一個靜謐的電流源，AD705為基準引腳提供緩沖，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、雙極型的運算放大器，它具有雙極型場效應晶體管的輸入級。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。輸入偏置電流達到了pA級的水平，它既具有雙極型場效應晶體管與雙極型運算放大器的許多優(yōu)點，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5倍，而一般的雙極型場效應晶體管運算放大器偏置電流要增長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。由于是雙極型場效應晶體管輸入極，因此，信號源阻抗比OP07高得多，而它的直流精度卻保持不變。

3 系統(tǒng)整體軟件設計方案
    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準被廣泛應用于各個領域。LabVIEW是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器。在一個硬件的情況下，通過改變軟件編程，就可以實現(xiàn)不同儀器的不同功能，方便、快捷。
    結(jié)合當前測試領域儀器發(fā)展新方向，最終輸出模擬電壓信號選用研華USB4716通用數(shù)據(jù)采集模塊進行采集，傳輸?shù)接嬎銠C。使用NI虛擬儀器(LabVIEW)設計電壓信號采集控制程序和電壓數(shù)據(jù)實時顯示界面。利用LabVIEW軟件平臺分析、處理來自USB4716的數(shù)字電壓信號。LabVIEW電壓信號采集控制和顯示的部分程序如圖4所示。

4 定量測試及結(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，相應的插值方程
   
4．2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果
    為取得壓力與電壓的精確對應關系，方便后續(xù)絕對誤差和相對誤差的分析，實驗采用靜態(tài)測量方法，測量一系列的靜壓力值，并對實驗結(jié)果進行定量分析，從而測定電路精度，而沒有采用常用的波形時域和頻域分析的方式。

    在滿量程范圍內(nèi)由小到大測量20個靜壓力值，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應的關系。由表1中選取具有代表性的3點：(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)輸出電壓關系曲線為
    y=(-1．568×10-3)x2+3．927x       (3)
4．3 誤差分析
    絕對誤差反映測量值偏離真實值的大小，即測量值與真實值之差的絕對值。絕對誤差可定義為
    ε=|X-L|         (4)
    式中，ε為絕對誤差；X為測量值；L為真實值。
    相對誤差是絕對誤差與測量值或多次測量平均值的比值，并且通常將其結(jié)果表示成百分數(shù)的形式，所以也叫百分誤差。
    絕對誤差可以表示一個測量結(jié)果的可靠程度，而相對誤差則可以比較不同測量結(jié)果的可靠性。當用同一種工具測量時，被測量的數(shù)值越大，測量結(jié)果的相對誤差就越小。

    應變式壓力傳感器試驗系統(tǒng)的絕對誤差和相對誤差如圖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法的絕對誤差和相對誤差曲線。從圖5和圖6中可以看出，二階插值法計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
    由相對誤差和絕對誤差圖知，在0～4．9 N范圍內(nèi)電路的測量結(jié)果誤差較大，但仍滿足系統(tǒng)設計要求。經(jīng)過對傳感器及實驗測量電路的分析，認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，從而導致實驗結(jié)果誤差在測量值較小時誤差較大。綜上所述，該壓力信號放大系統(tǒng)滿足：滿量程絕對誤差<9．8×10-3N，相對誤差的設計要求。