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數據采集是對溫度、壓力、濕度、應變以及各種其他物理現象進行的極其多樣化的綜合性測量。此外，這些測量可能需要在惡劣條件下進行，例如極端溫度、離心力和電子噪聲環境。系統設計人員不但必須要用心地為他們的應用選擇正確的傳感器，還必須努力地設計出合適的信號調理電路來處理這些問題。本文將主要討論應變計應用中所需的信號調理電路，特別是可能會影響對要與應變計一起使用的一個或多個放大器進行選擇的參數。 1 應變計簡介 在討論放大器和信號調理電路之前，有必要快速介紹一下應變計。顧名思義，“應變”就是由于外力作用所產生的改變。應變計使用電阻來表示由外力引起的應變大小。應變計有多種不同的類型，最常見的就是金屬應變計。這種類型的應變計由一根金屬絲或一小片金屬箔組成。在受到外力時，應變計會發生形變(正向或反向)，從而導致應變計的電阻也隨之變化。電阻的這種變化是可以測量的，從而反映出所施加外力的大小。 那么，實際上應如何測量應變呢?由于惠斯通電橋電路的靈敏度極佳，所以通常可在其中放置一個或多個應變計。用于應變計應用的惠斯通電橋由按照菱形模式布置的四個元件組成，每個橋臂都有一個電阻元件(應變計或固定電阻)。然后向該電橋施加一個激勵電壓，并測量菱形兩個相對端點之間的輸出電壓。四分之一橋電僅包括一個可變電阻元件—應變計。半橋則有兩個可變電阻元件，而全橋中的所有四個元件均為可變電阻元件—在此例中，為應變計。具有多個應變計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。 2 信號調理 即使在惠斯通電橋配置中使用了多個應變計，輸出電壓的總體變化仍然相對較小，通常在毫伏范圍內。由于信號幅度較小，所以在通過模數轉換器(ADC)將電壓轉換成數字信號之前，通常需要一個增益級。可能還必須濾除模擬輸入信號中的特定噪聲源。噪聲源的一些示例包括電源線嘈雜聲(50 Hz或60 Hz)、機械共振或外部電子干擾。最后，任何信號調理電路都不得向系統中添加大噪聲，否則來自惠斯通電橋的較小輸出電壓就會丟失。總之，信號調理電路必須有足夠高的增益，能提供適當的濾波并具有較低的噪聲。 3 失調電壓和開環增益 根據橋式應變計的輸出擺幅和ADC的滿量程輸入，模擬信號可能需要放大500倍或更高倍數。此外，該電路必須提供足夠的裕量，這樣信號就不會使放大器或ADC飽和。在選擇增益級放大器時必須考慮以下幾個方面。 首先，由于需要較高的增益，因此放大器的失調電壓變得非常重要。由放大器產生的失調電壓將與增益相乘。例如，一個失調電壓為1mV而增益配置為500倍的放大器會在放大器的輸出端產生0.5V的誤差電壓。對于一個在滿量程時產生10mV輸出電壓的應變計橋，放大器的這一失調誤差可導致出現10%的測量誤差。因此，需要一個低失調的精密放大器，例如MCP606。 第二，在仍能保持性能的同時，放大器必須具有足夠大的開環增益以提供所需的放大倍數。典型放大器的開環增益在某一頻率范圍內是恒定的，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，但是可能會限制系統的整體性能。 例如，假設放大器的開環增益為120dB，并且帶寬足夠大，允許放大器在增益為500倍所對應的頻率下正常工作。500倍的增益大約相當于54 dB，所以放大器的54dB開環增益用于提供增益。剩余的66dB為開環增益裕度，用于確保線性度，如圖1所示。 圖1 開環增益—頻率關系曲線 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，系統設計人員可選擇具有更大開環增益的放大器。盡管有這種放大器，但是它們的使用范圍不廣，而且性價比較低。另一種解決方案是使用多個增益級以獲得所需的總增益，例如傳統的兩級或三級放大器儀表拓撲。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計的，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和漂移性能。 4 放大器噪聲 在評估與應變計一起使用的放大器時必須考慮的另一個重要參數為放大器噪聲。需要重點指出的是，放大器的電壓噪聲與輸入有關，所以電路中的任何增益或衰減也會影響放大器噪聲。而且，要記住放大器的噪聲在頻率范圍內可能不是恒定的，特別是在低頻時，1/f的噪聲可能成為主要的噪聲源。因為輸入信號近似于直流信號，所以此低頻噪聲在應變計應用中起主要作用。 5 輸入偏置電流 輸入偏置電流是信號調理應用中第三個重要的放大器參數。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級到μA級不等，主要取決于放大器輸入電路的架構。在將高阻抗傳感器連接到放大器輸入端時，此參數變得極其重要。因為在偏置電流流經此高阻抗時，阻抗兩端會有壓降，從而產生電壓誤差。對于這些應用，需要一個低偏置電流。 應變計的標稱電阻值范圍為幾百歐姆到一千歐姆。流經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提供濾波或ESD保護的電路引入了新的阻抗，否則通常情況下，偏置電流不會起到很大的作用。 6 結論 應變計廣泛應用于各種應用中，從電子秤到測量鋼梁上的扭矩應有盡有。每個應用都有自己的設計要求和難度。在選擇提供信號調理功能的放大器時，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。噪聲也是一個重要參數，必須檢測所需頻帶內的噪聲。最后，放大器的輸入偏置電流也會影響系統性能，對于高阻抗輸入更是如此。 |
