為應(yīng)變計(jì)應(yīng)用選擇合適的放大器

數(shù)據(jù)采集是對(duì)溫度、壓力、濕度、應(yīng)變以及各種其他物理現(xiàn)象進(jìn)行的極其多樣化的綜合性測(cè)量。此外，這些測(cè)量可能需要在惡劣條件下進(jìn)行，例如極端溫度、離心力和電子噪聲環(huán)境。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不但必須要用心地為他們的應(yīng)用選擇正確的傳感器，還必須努力地設(shè)計(jì)出合適的信號(hào)調(diào)理電路來處理這些問題。本文將主要討論應(yīng)變計(jì)應(yīng)用中所需的信號(hào)調(diào)理電路，特別是可能會(huì)影響對(duì)要與應(yīng)變計(jì)一起使用的一個(gè)或多個(gè)放大器進(jìn)行選擇的參數(shù)。

應(yīng)變計(jì)簡(jiǎn)介

在討論放大器和信號(hào)調(diào)理電路之前，有必要快速介紹一下應(yīng)變計(jì)。顧名思義，“應(yīng)變”就是由于外力作用所產(chǎn)生的改變。應(yīng)變計(jì)使用電阻來表示由外力引起的應(yīng)變大小。應(yīng)變計(jì)有多種不同的類型，最常見的就是金屬應(yīng)變計(jì)。這種類型的應(yīng)變計(jì)由一根金屬絲或一小片金屬箔組成。在受到外力時(shí)，應(yīng)變計(jì)會(huì)發(fā)生形變(正向或反向)，從而導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)的電阻也隨之變化。電阻的這種變化是可以測(cè)量的，從而反映出所施加外力的大小。

那么，實(shí)際上應(yīng)如何測(cè)量應(yīng)變呢?由于惠斯通電橋電路的靈敏度極佳，所以通?？稍谄渲蟹胖靡粋€(gè)或多個(gè)應(yīng)變計(jì)。用于應(yīng)變計(jì)應(yīng)用的惠斯通電橋由按照菱形模式布置的四個(gè)元件組成，每個(gè)橋臂都有一個(gè)電阻元件(應(yīng)變計(jì)或固定電阻)。然后向該電橋施加一個(gè)激勵(lì)電壓，并測(cè)量菱形兩個(gè)相對(duì)端點(diǎn)之間的輸出電壓。四分之一橋電僅包括一個(gè)可變電阻元件—應(yīng)變計(jì)。半橋則有兩個(gè)可變電阻元件，而全橋中的所有四個(gè)元件均為可變電阻元件—在此例中，為應(yīng)變計(jì)。具有多個(gè)應(yīng)變計(jì)的好處就是增加了靈敏度。在所有其他配置相同的情況下，半橋配置的靈敏度是四分之一電橋的兩倍，而全橋的靈敏度是四分之一電橋的四倍。

信號(hào)調(diào)理

即使在惠斯通電橋配置中使用了多個(gè)應(yīng)變計(jì)，輸出電壓的總體變化仍然相對(duì)較小，通常在毫伏范圍內(nèi)。由于信號(hào)幅度較小，所以在通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之前，通常需要一個(gè)增益級(jí)?？赡苓€必須濾除模擬輸入信號(hào)中的特定噪聲源。噪聲源的一些示例包括電源線嘈雜聲(50 Hz或60 Hz)、機(jī)械共振或外部電子干擾。最后，任何信號(hào)調(diào)理電路都不得向系統(tǒng)中添加大噪聲，否則來自惠斯通電橋的較小輸出電壓就會(huì)丟失。總之，信號(hào)調(diào)理電路必須有足夠高的增益，能提供適當(dāng)?shù)臑V波并具有較低的噪聲。

失調(diào)電壓和開環(huán)增益

根據(jù)橋式應(yīng)變計(jì)的輸出擺幅和ADC的滿量程輸入，模擬信號(hào)可能需要放大500倍或更高倍數(shù)。此外，該電路必須提供足夠的裕量，這樣信號(hào)就不會(huì)使放大器或ADC飽和。在選擇增益級(jí)放大器時(shí)必須考慮以下幾個(gè)方面。

首先，由于需要較高的增益，因此放大器的失調(diào)電壓變得非常重要。由放大器產(chǎn)生的失調(diào)電壓將與增益相乘。例如，一個(gè)失調(diào)電壓為1mV而增益配置為500倍的放大器會(huì)在放大器的輸出端產(chǎn)生0.5V的誤差電壓。對(duì)于一個(gè)在滿量程時(shí)產(chǎn)生10mV輸出電壓的應(yīng)變計(jì)橋，放大器的這一失調(diào)誤差可導(dǎo)致出現(xiàn)10%的測(cè)量誤差。因此，需要一個(gè)低失調(diào)的精密放大器，例如MCP606。

第二，在仍能保持性能的同時(shí)，放大器必須具有足夠大的開環(huán)增益以提供所需的放大倍數(shù)。典型放大器的開環(huán)增益在某一頻率范圍內(nèi)是恒定的，然后以每十倍頻20dB的速度開始下降。大部分通用放大器的開環(huán)增益范圍為100dB至120dB。這類放大器可處理上述的為500倍的增益，但是可能會(huì)限制系統(tǒng)的整體性能。

例如，假設(shè)放大器的開環(huán)增益為120dB，并且?guī)捵銐虼?，允許放大器在增益為500倍所對(duì)應(yīng)的頻率下正常工作。500倍的增益大約相當(dāng)于54 dB，所以放大器的54dB開環(huán)增益用于提供增益。剩余的66dB為開環(huán)增益裕度，用于確保線性度，如圖1所示。

圖1 開環(huán)增益—頻率關(guān)系曲線

這意味著放大器是線性的，斜率大約為1/2000，或大約11位。要避免這種限制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可選擇具有更大開環(huán)增益的放大器。盡管有這種放大器，但是它們的使用范圍不廣，而且性價(jià)比較低。另一種解決方案是使用多個(gè)增益級(jí)以獲得所需的總增益，例如傳統(tǒng)的兩級(jí)或三級(jí)放大器儀表拓?fù)?。也許更好的解決方案是使用儀表放大器，這種放大器是專為提供高增益和良好的性能而設(shè)計(jì)的，通常情況下，相比分立式儀表放大器電路，具有更好的電壓失調(diào)和漂移性能。

放大器噪聲

在評(píng)估與應(yīng)變計(jì)一起使用的放大器時(shí)必須考慮的另一個(gè)重要參數(shù)為放大器噪聲。需要重點(diǎn)指出的是，放大器的電壓噪聲與輸入有關(guān)，所以電路中的任何增益或衰減也會(huì)影響放大器噪聲。而且，要記住放大器的噪聲在頻率范圍內(nèi)可能不是恒定的，特別是在低頻時(shí)，1/f的噪聲可能成為主要的噪聲源。因?yàn)檩斎胄盘?hào)近似于直流信號(hào)，所以此低頻噪聲在應(yīng)變計(jì)應(yīng)用中起主要作用。

輸入偏置電流

輸入偏置電流是信號(hào)調(diào)理應(yīng)用中第三個(gè)重要的放大器參數(shù)。偏置電流是流向放大器輸入端的電流，用于偏置輸入晶體管。此電流的幅度從pA級(jí)到μA級(jí)不等，主要取決于放大器輸入電路的架構(gòu)。在將高阻抗傳感器連接到放大器輸入端時(shí)，此參數(shù)變得極其重要。因?yàn)樵谄秒娏髁鹘?jīng)此高阻抗時(shí)，阻抗兩端會(huì)有壓降，從而產(chǎn)生電壓誤差。對(duì)于這些應(yīng)用，需要一個(gè)低偏置電流。

應(yīng)變計(jì)的標(biāo)稱電阻值范圍為幾百歐姆到一千歐姆。流經(jīng)橋式傳感器的電流與放大器的偏置電流相比較大。除非在放大器前面添加一個(gè)提供濾波或ESD保護(hù)的電路引入了新的阻抗，否則通常情況下，偏置電流不會(huì)起到很大的作用。

結(jié)論

應(yīng)變計(jì)廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用中，從電子秤到測(cè)量鋼梁上的扭矩應(yīng)有盡有。每個(gè)應(yīng)用都有自己的設(shè)計(jì)要求和難度。在選擇提供信號(hào)調(diào)理功能的放大器時(shí)，必須確保該放大器能夠提供所需的增益且保持線性度在可接受范圍內(nèi)。噪聲也是一個(gè)重要參數(shù)，必須檢測(cè)所需頻帶內(nèi)的噪聲。最后，放大器的輸入偏置電流也會(huì)影響系統(tǒng)性能，對(duì)于高阻抗輸入更是如此。