為應變計應用選擇合適的放大器

　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(jìn)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(jìn)行，例如極端溫度、離心力和電子噪聲環(huán)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(lái)處理這些問(wèn)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(huì )影響對要與應變計一起使用的一個(gè)或多個(gè)放大器進(jìn)行選擇的參數。

　　應變計簡(jiǎn)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(chǎn)生的改變。應變計使用電阻來(lái)表示由外力引起的應變大小。應變計有多種不同的類(lèi)型，最常見(jiàn)的就是金屬應變計。這種類(lèi)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(shí)，應變計會(huì )發(fā)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(shí)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?？稍谄渲蟹胖靡粋€(gè)或多個(gè)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(gè)元件組成，每個(gè)橋臂都有一個(gè)電阻元件(應變計或固定電阻)。然后向該電橋施加一個(gè)激勵電壓，并測量菱形兩個(gè)相對端點(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―應變計。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，為應變計。具有多個(gè)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。

　　信號調理

　　即使在惠斯通電橋配置中使用了多個(gè)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(guò)模數轉換器(ADC)將電壓轉換成數字信號之前，通常需要一個(gè)增益級?？赡苓€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(xiàn)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(lái)自惠斯通電橋的較小輸出電壓就會(huì )丟失?？傊?，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。

　　失調電壓和開(kāi)環(huán)增益

　　根據橋式應變計的輸出擺幅和ADC的滿(mǎn)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(huì )使放大器或ADC飽和。在選擇增益級放大器時(shí)必須考慮以下幾個(gè)方面。

　　首先，由于需要較高的增益，因此放大器的失調電壓變得非常重要。由放大器產(chǎn)生的失調電壓將與增益相乘。例如，一個(gè)失調電壓為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。對于一個(gè)在滿(mǎn)量程時(shí)產(chǎn)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(gè)低失調的精密放大器，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(kāi)環(huán)增益以提供所需的放大倍數。典型放大器的開(kāi)環(huán)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(kāi)始下降。大部分通用放大器的開(kāi)環(huán)增益范圍為100dB至120dB。這類(lèi)放大器可處理上述的為500倍的增益，但是可能會(huì )限制系統的整體性能。

　　例如，假設放大器的開(kāi)環(huán)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(kāi)環(huán)增益用于提供增益。剩余的66dB為開(kāi)環(huán)增益裕度，用于確保線(xiàn)性度，如圖1所示。

　　 圖1 開(kāi)環(huán)增益―頻率關(guān)系曲線(xiàn)
　　這意味著(zhù)放大器是線(xiàn)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(kāi)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?xún)r(jià)比較低。另一種解決方案是使用多個(gè)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(zhuān)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。

　　放大器噪聲

　　在評估與應變計一起使用的放大器時(shí)必須考慮的另一個(gè)重要參數為放大器噪聲。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。

　　輸入偏置電流

　　輸入偏置電流是信號調理應用中第三個(gè)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(shí)，此參數變得極其重要。因為在偏置電流流經(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。對于這些應用，需要一個(gè)低偏置電流。

　　應變計的標稱(chēng)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(gè)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(shí)，必須確保該放大器能夠提供所需的增益且保持線(xiàn)性度在可接受范圍內。噪聲也是一個(gè)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(huì )影響系統性能，對于高阻抗輸入更是如此。