基于虛擬儀器的高精度壓力信號放大系統設計

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定性及精密度要求。差動(dòng)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(diǎn)，被應用于小信號放大技術(shù)中。系統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(shí)現系統高精度的要求。采用虛擬儀器技術(shù)對放大后的信號進(jìn)行采集和分析處理，并編寫(xiě)相應的顯示界面。用二階插值法對測量數據進(jìn)行分析，驗證了電路的精確性。
關(guān)鍵詞 AD620；二階插值；LabVIEW；測力傳感器

1 系統設計方案
系統由直流穩壓源提供±12 V和±5 V兩種電壓。設定±12 V供電時(shí)，系統電壓輸出滿(mǎn)量程為5V，傳感器承受靜壓力滿(mǎn)量程為19．6N。滿(mǎn)量程范圍內測量時(shí)，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 系統硬件電路整體設計方案
系統整體設計流程如圖1所示。系統硬件電路主要由LC7012測式力傳感器、AD620儀表放大器、參考電壓源以及電壓調零電路、信號濾波整形電路和電壓電流轉換電路組成。

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(shí)現。LC7012測力傳感器受到壓力作用時(shí)有以下兩個(gè)特點(diǎn)：(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(wú)關(guān)。(2)應變片組成的全橋電路的輸出電壓與壓力基本成線(xiàn)性關(guān)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，在有靜壓力作用時(shí)，雙孔梁在壓力和系統底盤(pán)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(lái)的微弱電壓信號進(jìn)行放大。
全橋式等臂電橋的結構簡(jiǎn)單、對稱(chēng)性強、靈敏度高、各臂參數一致性好，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，以及抑制側向力的干擾、較方便地解決測力傳感器的補償等問(wèn)題。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(zhuān)門(mén)的可調參考電壓源，以滿(mǎn)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(gè)外部電阻來(lái)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(xiàn)性度40×10-6)、低失調電壓(最大50μV)和低失調漂移(最大0．6μV／℃)的特性，是傳感器接口等精密數據采集系統的理想選擇。
AD620單片結構和激光晶體調整，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構，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(guò)輸入級內部運放的反饋，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內部增益電阻以調整至絕對值24．7 kΩ，因此利用一個(gè)外部電阻便可實(shí)現對增益的精確編程。
增益公式為

AD620放大后的電壓信號可通過(guò)濾波整形電路，并經(jīng)由模數轉換器模塊用數碼管以數字形式顯示。為充分利用和展示虛擬儀器的功能，系統使用LabVIEW設計相應的信號采集處理程序和顯示器界面。