用于應變儀的程控精密激勵源設計

　　1 引 言

　　在工程實(shí)踐中，應力變化的測量是一個(gè)十分重要又要求甚高的領(lǐng)域。由于應變測量屬于微弱信號測量，需要檢測出幾十微歐的變化，為減少非線(xiàn)性誤差，所以常常采用差動(dòng)電橋，恒流源或者恒壓源的測量方案，其中恒壓／恒流源的精密程度直接決定了應變測量的精密程度。這就提出了對高精密度的恒壓／恒流源要求。

　　2 應變測量原理及其要求

　　應變片測量應變時(shí)是利用電阻絲的電阻率隨絲的變形而變化的關(guān)系，把力學(xué)參數轉化成與之成比列的電學(xué)參數。應變片在工作過(guò)程中引起的是電阻的變化。通過(guò)測量電橋的微小電阻變化轉換成電壓或電流的變化，再經(jīng)過(guò)放大器放大，并根據某一比列常數關(guān)系，將其變換成試件的應變值面展示出來(lái)。完成上述工作的儀器叫做應變儀。其原理如圖1所示。

 
　　應變片所感受的機械應變量一般為10-6-10-2，隨之而產(chǎn)生的電阻變化率也大約在10-6～10-2數量級之間。這樣小的電阻變化一般的電阻測量?jì)x表很難測出，所以必須采用一定形式的測量電路將微小的電阻變化率轉化成電壓或電流的變化，才能用電子儀表紀錄或顯示出來(lái)。
測量電路至少滿(mǎn)足下面兩個(gè)要求：

　　(1)測量電橋和其激勵都應當有足夠高的精度，并可根據測試的不同要求，可靈活控制激勵大小。

　　(2)能將微量的電阻變化率轉變成電壓或電流的變化，并具有足夠高的靈敏度。

　　本文詳細探討精密可程控恒壓恒流源的發(fā)生、控制、驅動(dòng)的設計。

　　3 激勵源方案設計

　　應變儀對橋源的精度要求很高，所以在電源的設計過(guò)程中一定要注意電源的精度能夠達到要求。電源除了要滿(mǎn)足精度要求以外，為了滿(mǎn)足不同的應用場(chǎng)合，應變儀還要求電源能提供電壓源和電流源兩中不同的電橋形式。當儀器儀表輸出的模擬信號需要傳輸較遠距離時(shí)，一般采用電流信號而不是電壓信號，因為電流信號抗干擾能力強，信號線(xiàn)電阻不會(huì )導致信號損失。電流大小由負載大小決定，一般為0 mA～20 mA。當智能儀器輸出的模擬信號需要傳輸給多個(gè)儀器儀表時(shí)，一般采用直流電壓信號而不是直流電流信號。這是因為，如果采用直流電流信號，為了保證多個(gè)接收信號的設備獲得同樣的信號，必須將他們的輸入端互相串聯(lián)起來(lái)。這就導致了一個(gè)不可靠的因素，當任何一個(gè)接收設備發(fā)生斷路故障時(shí)，其他接收設備也會(huì )失去信號。而且，互相串聯(lián)的各個(gè)接受設備也會(huì )失卻信號。而且，互相串聯(lián)的各個(gè)接受設備對地的電位不等，也會(huì )引出一些麻煩。 同時(shí)為了增加應變儀使用的靈活性和廣泛性，本設計研制了可程控電源。所謂程控電源就是能夠按照預先設定好的程序和數值自動(dòng)控制電源設備的輸出(電壓或電流)，使其穩定在給定數值。

　　為滿(mǎn)足本設計中電阻應變儀對橋源的不同需求，給出如下的激勵源設計指標：

　　(1)恒壓源：0V～8V，輸出電流穩定度好于0.01％。
　　(2)恒流源：0mA～20mA，輸出電流穩定度好于0.02％。

 
　　4 程控恒壓源基準電路

　　如圖2所示，在本模塊中，為了保證設計精度我們選用16位可編程D／A轉換器，這樣我們可以使其步長(cháng)為10W(216)≈0.152mV。所以當我們的電壓激勵為2V時(shí)，16位DAC電壓輸出的最大誤差為，所以其完全符合系統設計要求。我們選用的DAC是DAC 7731EC，并陪以MAX 6225的2.5 V外部參考電壓源，以最小程度的減小非線(xiàn)性誤差，最大誤差僅為1LSB。到此，我們從DAC得到了高精度的恒定電壓，但是由于DAC帶負載的能力很差，不能驅動(dòng)后面的V／I選擇電路和恒壓恒流源驅動(dòng)電路，則我們需要在DAC輸出之后加一個(gè)驅動(dòng)電路，在這里我們選擇的是高精度運算放大器OPA 227。從圖中可以一開(kāi)到我們是用的是開(kāi)環(huán)連接方式，這樣即可以實(shí)現最大電壓值以控制場(chǎng)效應管的G端又能達到電壓隔離的目的。

　　5  V／I選擇電路及驅動(dòng)電路

　　由于對同一負載電橋在不同情況下，需要使用恒壓源或者恒流源，所以我們需要在橋源部分有個(gè)無(wú)電阻值(以保證使用恒壓源時(shí)不會(huì )對負載橋源產(chǎn)生分壓)，精密的V／I選擇切換電路。同時(shí)又由于在負載使用恒流源時(shí)，需要具有低漂移，高精度，而大功率的驅動(dòng)電路，一般的精密儀表放大器難以同時(shí)滿(mǎn)足以上條件。所以在本文中我們采用了一個(gè)全新方法來(lái)產(chǎn)生高精度，且大電流的恒流源方式。

　　5.1恒壓源驅動(dòng)電路

　　如圖3所示，假設此時(shí)DAC輸出的標準電壓值為8 V，則同過(guò)開(kāi)環(huán)連接的精密放大器OPA 227的輸出端輸出12V的電壓到場(chǎng)效應管IRF 840的G端，以控制其開(kāi)閉。同時(shí)從OPA 227負端輸出同樣的標準電壓值8V至繼電器的COM端。通過(guò)ON／OFF控制信號，使繼電器的COM端和ON端連通。由于繼電器的內阻非常小，可以忽略不計，所以可以認為其無(wú)分壓效應，則其外接負載電橋的1端電壓為標準的8V，而其2端通過(guò)繼電器接地。同時(shí)對于IRF840的G端和S端，它們的電壓為VGS=4V，而VDS=4V，由場(chǎng)效應管的輸出特性可知，此時(shí)在場(chǎng)效應管可以通過(guò)最大1 A的電流，但是在本設計中電流大小由DAC產(chǎn)生的精密、低誤差電壓值(在此為8V)和負載電橋阻值決定，而+12V電源和其保護電阻R1只起到提供電流的作用。

　　通過(guò)以上設置，我們可以在為外接負載電橋提供精密程控恒壓源的同時(shí)，避免了從應變儀本身電源引入得噪聲。因為通常應變儀使用外部220V交流電源，再在應變儀內部經(jīng)過(guò)交直流變換得到直流電壓源(如+12V)，但是這樣做通常會(huì )在應變儀的電源之中留下很強的工頻噪聲。對于測試微小應變的電橋來(lái)說(shuō)，顯然這些噪聲是不可接受的。而本設計的好處就在于，我們既通過(guò)DAC產(chǎn)生的電壓外接負載電橋提供了高精度的恒壓基準，又由儀器本身的電源通過(guò)場(chǎng)效應管提供驅動(dòng)電流，在大幅提高應變儀帶負載能力的同時(shí)，有效地將噪聲減之最小。

　　5.2恒流源驅動(dòng)電路

　　同樣如圖4所示，當繼電器的COM端和OFF端相接觸時(shí)。此時(shí)外接負載電橋的2端通過(guò)繼電器連接的一個(gè)400Ω的精密電阻接地，與此同時(shí)2端還與基準電壓電路輸出的精確電壓值V-COM通過(guò)繼電器相連。同時(shí)電橋的1端仍然和場(chǎng)效應管的S端連在一起。我們仍然設V-COM=8 V，則此時(shí)場(chǎng)效應管的VGS=4V而VDS>0V，所以場(chǎng)效應管處于打開(kāi)狀態(tài)。而流過(guò)負載電橋的電流，由基爾霍夫定律可知：從負載電橋的1端流入電橋的電流，I1等于從其2端經(jīng)精密電阻流人大地的電流I2。而此時(shí)I2的大小是可以通過(guò)電壓基準電路輸出的的精密電壓值V-COM與精密電阻R2控制的。同時(shí)和恒壓源一樣應變儀自身的+12V電源和場(chǎng)效應管只是提供負載電橋的電流，但不能決定其大小。所以我們同樣實(shí)現了在為外接負載提供精密低誤差的恒流源的同時(shí)，有效隔離了儀器本身電源引入的噪聲。

　　6 結束語(yǔ)

　　通過(guò)對DAC，場(chǎng)效應管和繼電器的有效組合，組成了滿(mǎn)足應變測試要求的精密，低誤差，低噪聲的程控恒壓／恒流源。通過(guò)DAC為負載電橋生成精密的基準電壓或電流值，但是通過(guò)儀器本身的電源提供負載的驅動(dòng)電流。這樣既解決了一般的橋源驅動(dòng)能力不強的問(wèn)題，又有效的隔離了應變儀電源本身所帶的噪聲。同時(shí)我們通過(guò)FPGA對繼電器的控制，靈活地在恒壓源和恒流源之間進(jìn)行了選擇切換，使其在同一時(shí)刻只有一種激勵源在使用之中，有效的降低了電路的功耗?？傊?，相比于其他用于應變儀的橋源，本設計體積更小，功耗更低，配置靈活同時(shí)也達到了測量要求。本設計已經(jīng)成功應用于實(shí)際的應變儀之中，通過(guò)實(shí)際試驗與使用，其達到了設計標準。