微弱信號調理電路和模數轉換電路的探討

模擬電路的設計知識雖散, 設計人員需具備一定的實(shí)踐經(jīng)驗，但也是有軌可尋。本文通過(guò)直流激勵MEMS壓力傳感器，尤其是交 直流激勵MEMS差分電容振動(dòng)加速度傳感器的調理電路和模數轉換電路的實(shí)現 二個(gè)典型電路，來(lái)闡述模擬電路的設計的一些方法、規律，拋磚引玉。

引言:

在20 世紀80 年代崛起的數字技術(shù)迅猛發(fā)展的光芒照耀下，模擬技術(shù)的進(jìn)步，確顯的蹣跚滯后。 但 現時(shí)隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對自然認識的“與時(shí)俱進(jìn)”，在電子電路技術(shù)領(lǐng)域對模擬電子線(xiàn) 路的認識又重新進(jìn)行了定位。

雖然今天的模擬電路的功能大部分可以用集成電路來(lái)實(shí)現，但至今仍有許多模擬電路不得不采用大 量的分離電路 或 混合電路來(lái)實(shí)現，特別是在大功率、高頻、A/D、D/A 接口電路，而其中模擬電路的 難點(diǎn)應當首推為 微弱信號的調理電路和模數轉換電路。成功的電路測控系統，要求傳感器和模擬電路 有有機的阻抗匹配和能量匹配，系統要求電路平衡。

通常定義傳感器是一種換能器， 嚴格來(lái)說(shuō), 傳感器是一種接收信號或受激勵 并以電信號響應的能 量轉換器件。傳感器將其它類(lèi)型的能轉換成電能，正是因為傳感器有如此類(lèi)型的特點(diǎn), 傳感器及其相關(guān) 的轉換、 調理電路和模數轉換電路可用來(lái)測量各種不同的物理量， 例如： 溫度、力、壓力、流量、 光強、物體加速度等。但是就傳感器本身而言傳感器不能獨立工作，通常 它是和信號調理電路和各種 模擬信號電路或數字信號電路構成一個(gè)電路系統。

大多數傳感器其滿(mǎn)度輸出都是相當小的微弱的信號,在進(jìn)一步作模擬或數字處理之前,必須對它們 的輸出進(jìn)行適當的處理。據此, 便發(fā)展出了通常稱(chēng)之為的信號調理電路的一大類(lèi)分枝電路。這類(lèi)電路， 大至 分為放大、電平轉換、電隔離、阻抗變換、線(xiàn)性變換和濾波電路等。 但是,不管采取哪種調理方 式, 調理電路的結構和性能都取決于傳感器的電特性和輸出。根據傳感器的一種分類(lèi)法,將傳感器分為 有源和無(wú)源二類(lèi)。一般而言,有源類(lèi)傳感器是指無(wú)需外部激勵自身可以產(chǎn)生變化的電信號；無(wú)源類(lèi)傳感 器 則是指 需外部激勵方可產(chǎn)生變化的電信號,且自身不能產(chǎn)生電信號。 激勵又可分為 直流激勵,交流 激勵, 交直流混和激勵 三種。

本文 根據上述傳感器的分類(lèi),聯(lián)系具體的MEMS 壓阻式、MEMS 電容式傳感器的應用。來(lái)談一談?wù){理 電路和模數轉換電路的實(shí)現的一些方法、規律。

傳感器調理電路和模數轉換電路的實(shí)現

1)直流激勵MEMS 壓力傳感器調理電路和模數轉換電路的實(shí)現

圖一 是一個(gè)測量壓力的電路原理圖,選用的壓力傳感器是 目前時(shí)尚的微機械MEMS 壓力傳感器。 微機械MEMS 系統 傳感器,是近些年來(lái)發(fā)展較快的一新科技領(lǐng)域，是以硅為基體,在此基礎上發(fā)展 出 流量、壓力、振動(dòng)、角速度傳感器系列等。MEMS 壓力傳感器采用惠斯通電橋可變電阻法, 一對惠斯 通橋臂電阻被光刻在硅懸臂梁的正反二面上, 當懸臂梁受外力脅迫變形時(shí), 會(huì )對 這對惠斯通電橋臂電 阻產(chǎn)生一拉,一壓的作用效果，這時(shí)，這對電橋臂電阻的阻值 就會(huì )發(fā)生變化。外力引起的變化調制成這 對電阻的阻值變化。硅 MEMS 壓力傳感器是一種無(wú)源傳感器, 硅懸臂梁在壓力作用下產(chǎn)生變形,從而引 起這對惠斯通橋臂電阻的阻值變化。在外加直流電壓或電流的激勵下,外加壓力通過(guò)引起電阻的變化， 被調制成電信號的變化。

這對惠斯通電橋臂電阻采用光刻 蝕而成,一般在10K 左右。用MEMS 做成的壓力傳感器比應變片做成的壓力傳感，電阻值高，器靈敏度高,抗干擾性好，壽命長(cháng)。

圖一 是一個(gè)測量壓力的電路原理圖：

具體電路如圖一所示,一級運 放 U1 采用增益可調平衡差動(dòng)放大電路輸入法，其目的是最大限度的壓制共模干擾,提高系統精度。

圖二 增益可調平衡差動(dòng)放大電路原理及等效電路圖

圖二是 增益可調平衡差動(dòng)放大電路原理及等效電路圖，其中 RW'=RW=+R'，R0??0 據此推到出可調平衡差動(dòng)放大電路輸出對輸入的關(guān)系，由節點(diǎn)方程：

第一級運 放 U1 采用的是差分輸入，選用的運算放大器 是自斬波、自穩零 運算放大器 ICL7650。該放大器可同時(shí)完成調制和解調工作,因而可直接放大直流信號,且失調小,輸入阻抗高.

差分信號經(jīng)一級ICL7650 放大后, 將通過(guò)二階有源低通濾波器,濾除高頻雜波, 再經(jīng)跟隨器輸出。 二階有源低通濾波器的截止頻率 200Hz。濾波器和跟隨器選用的運算放大器是高精度、低漂移、運算放 大器LF353。為提高系統精度，本電路系統采用 恒流，灌電流直流激勵,避免傳感器電阻值變化不平衡 引入熱噪聲。

模擬電路使用的恒流源常有，拉電流和灌電流二種, 本電路系統采用的是灌電流 恒流法。U3 和 周?chē)娐方M成恒流源，調節電位器POT2 可以改變灌電流的大小。

2) 交 直流激勵MEMS

差分電容振動(dòng)加速度傳感器調理電路和模數轉換電路的實(shí)現 加速度傳感器是將運動(dòng)或重力轉換成電信號的傳感器,一般把 加速度傳感器與電信號調理電路集 成后制的成組件稱(chēng)為加速度計。重力加速度及勻加速度常被稱(chēng)為直流加速度或靜態(tài)加速度，由振動(dòng)等產(chǎn) 生的動(dòng)態(tài)加速度稱(chēng)為交流加速度。 現流行的，科技較前沿的MEMS 器件加速度計，其傳感器原理一般基于差動(dòng)電容，加速度計主要由 質(zhì)量彈性元件，位移測量系統及信號調理電路構成。

圖 三 平行金屬板電容器結構原理圖

位移測量系統的基本工作原理常是利用電容變化的物理特性。最簡(jiǎn)單的電容器是由兩平行金屬板 構成，如圖三所示。 電容 C=k/X0 , k 是與板間距離及金屬板間物質(zhì)相關(guān)的特性常數。由電容可以求出 平行金屬板間距X0。一般都是在平行金屬板間插入中間極板構成差分電容來(lái)測量微小距離。

結論：可以根據測量△C 知到物體的運動(dòng)速度和加速度，他們具有相應的微分關(guān)系。

圖 四 MEMS 電容式振動(dòng)加速度傳感器結構圖

圖四, 中間極板(即橫梁的伸出部分)與二個(gè)固定的外極板組成差動(dòng)電容 CS1 和CS2.。沒(méi)有加速度 時(shí), CS1=CS2；產(chǎn)生加速度時(shí)，橫梁的移動(dòng)改變了中間極板和固定的外極板之間的相對位置，引起電容 變化，CS1≠CS2 ?？赏ㄟ^(guò)一定的測量電路，將電容的變化，在外加交流電壓的激勵下轉化為電學(xué)量，電壓或電流輸出，通過(guò)測量電學(xué)量就能夠測得該物體相應的瞬時(shí)速度或瞬時(shí)加速度值。

圖五 交直流激勵差分電容振動(dòng)加速度傳感器調理電路方框圖

如圖五所示， 差分電容振動(dòng)加速度傳感器（屬無(wú)源傳感器）需在外加電壓的作用下方能將振動(dòng)信 號調制為電信號輸出。由于差分電容振動(dòng)加速度傳感器屬電容性器件，有隔直通交作用，所以不能用直 流信號作激勵源，只能采取交流激勵法將振動(dòng)信號調制在交流激勵信號之上；將調制信號適度放大，使 之有了抗雜波和分辨的能力，再經(jīng)同步解調，解調出能反應振動(dòng)加速度大小的電信號；電信號再經(jīng)過(guò)二 階低通濾波器，濾除高頻成分；最后 信號經(jīng)調整，經(jīng)跟隨器輸出。該套電路在開(kāi)環(huán)的基礎上有選擇地 增加了AGC 控制回路，擬增加傳感器的靈敏度和帶寬，壓低噪聲。

具體電路如圖六所示：采用芯片U0（ MAX038）信號發(fā)生器芯片產(chǎn)生 1M Hz 的正弦交流信號；U1 （AD797）運算放大器組成反相比例放大器，U2（AD797） 運算放大器組成反同相比例放