引言
應(yīng)變片式傳感器應(yīng)用十分廣泛,，它采用電橋式電路結(jié)構(gòu),，以提高輸出靈敏度。但一個(gè)微應(yīng)變橋路輸出只有2 mV左右,，即使在滿載情況下,，應(yīng)變片的最大輸出也只有數(shù)十mV，這就要求前置測(cè)量放大電路具有高增益,、高精度、低噪聲,、低漂移等特點(diǎn),。一般集成運(yùn)算放大器都是利用參數(shù)補(bǔ)償原理的直接耦合或者阻容耦合方式，它們的初始失調(diào)參數(shù)并不等于零,，而是用調(diào)零電位器或精密修正技術(shù)進(jìn)行失調(diào)參數(shù)的補(bǔ)償,。這使得直接耦合放大器在放大信號(hào)的同時(shí)也放大了溫漂，而阻容耦合放大器雖能抑制溫漂,，但不能用來放大微弱的直流信號(hào)或緩慢變化的信號(hào),，它會(huì)將這種信號(hào)作為溫漂抑制掉。使用自動(dòng)穩(wěn)零技術(shù)的精密儀表放大器AD8230就能很好地解決抑制溫漂的同時(shí)又放大微弱直流信號(hào)這個(gè)問題,，以滿足精密應(yīng)變測(cè)試儀的設(shè)計(jì)要求,。
AD8230的工作原理與特性
AD8230 是ADI公司的一款利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)，采用超小型SOIC工藝制作的穩(wěn)零式精密儀表放大器,。與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AD62x系列儀表放大器相比,，AD8230有許多關(guān)鍵的性能提高：具有109W的高輸入阻抗，能有效地抑制信號(hào)源與傳輸網(wǎng)絡(luò)阻抗不對(duì)稱引起的誤差,；在-40℃~+125℃的工作溫度范圍內(nèi),，輸入失調(diào)電壓為10mV、失調(diào)電壓溫度漂移只有50nV/℃,，共模抑制比高達(dá)140dB,，能有效地抑制共模干擾引入的誤差，提高系統(tǒng)信噪比和對(duì)溫度影響的抵抗能力,；輸入/輸出擺幅可達(dá)電源限（-VS~+VS）,，以適應(yīng)信號(hào)源電平的較寬范圍；具有較高的增益及較寬的增益調(diào)節(jié)范圍（G=2~1000）,，其典型增益誤差為± 0.01%,，增益非線形誤差僅為20ppm，有效地保障了系統(tǒng)的測(cè)量精度,。
放大器增益由兩個(gè)外部電阻器設(shè)置,，以實(shí)現(xiàn)溫度系數(shù)（TC）匹配,。
AD8230 由參考端電位確定零輸出電壓，當(dāng)負(fù)載與系統(tǒng)地不明確共地時(shí)特別有用,，它提供了一種對(duì)輸出引入精密補(bǔ)償?shù)姆椒?，利用參考端還可提供一個(gè)虛地電壓放大雙極性信號(hào)。若AD8230相對(duì)地輸出,，則參考端應(yīng)接地,，為了使接地回路阻抗最小，達(dá)到最佳的CMR,，參考端應(yīng)接到一個(gè)低阻抗接點(diǎn),，建議使用接地平面。
自動(dòng)調(diào)零（或自動(dòng)穩(wěn)零）是一種動(dòng)態(tài)地抵消失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移的技術(shù),，它能將相對(duì)輸入端的失調(diào)電壓降低到mV級(jí),，將失調(diào)電壓漂移降低到nV/℃級(jí)。動(dòng)態(tài)抵消失調(diào)的另一優(yōu)點(diǎn)是可降低低頻噪聲,，特別是1/f噪聲,。自動(dòng)穩(wěn)零運(yùn)算放大器的基本指導(dǎo)思想是：如果能將運(yùn)放兩個(gè)輸入端短路時(shí)或加共模輸入信號(hào)時(shí)的輸出電壓 (誤差電壓)先用電容器寄存起來(簡(jiǎn)稱采樣)，再與運(yùn)放正常工作時(shí)的輸出電壓相減(簡(jiǎn)稱校零),，則可有效地減小失調(diào)電壓,、失調(diào)電流及溫度變化和電源電壓波動(dòng)所引起的漂移，也可有效地抑制共模信號(hào),。
AD8230具有自穩(wěn)零電路結(jié)構(gòu),，其內(nèi)部信號(hào)路徑由一個(gè)有源差分采樣保持級(jí)（前置放大器）和一個(gè)差分放大級(jí)（增益放大器）組成。兩級(jí)放大器都能實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)零,，使失調(diào)和漂移減少到最低,，全差分電路結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了對(duì)寄生噪聲的抵抗能力。自動(dòng)穩(wěn)零基本原理如圖 1所示,，這里以兩個(gè)相繼時(shí)鐘相位A,、B分別描述其內(nèi)部工作順序。
電路通過電子開關(guān)來切換兩個(gè)階段循環(huán)工作：在時(shí)鐘上半周期,，電路處于采樣階段,，采樣電容器CSAMPLE連接到信號(hào)輸入端，該輸入信號(hào)的差分電壓VDIFF被存儲(chǔ)在CSAMPLE上,，共模電壓被抑制,。在此期間，增益放大器與前置放大器斷開,，以使其輸出保持在以前采樣的輸入信號(hào)幅度,；在時(shí)鐘下半周期，電路處于動(dòng)態(tài)校零和放大階段，CSAMPLE上采集的差分信號(hào)被提供給增益放大器,，刷新存儲(chǔ)在CHOLD上的電壓值,，并由增益放大器放大。當(dāng)CSAMPLE連接到前置放大器的輸出端時(shí),，前置放大器的共模輸出電壓被下拉到參考電位VREF,。用這種方法，使CSAMPLE與前置放大器具有相同的共模電壓,。
精密應(yīng)變測(cè)試儀的實(shí)現(xiàn)
應(yīng)變測(cè)試儀主要由橋壓產(chǎn)生,、射頻干擾（RFI）濾波、共模抑制,、信號(hào) 放大,、低通濾波和緩沖驅(qū)動(dòng)等電路構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。
圖1 自動(dòng)穩(wěn)零基本原理
圖2 應(yīng)變測(cè)試儀結(jié)構(gòu)框圖
在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中,，不斷增加的射頻干擾，被放大器整流后可能表現(xiàn)為難以消除的直流失調(diào)誤差,，同時(shí)考慮到信號(hào)傳輸線路長(zhǎng)、強(qiáng)度弱的情況,，在儀表放大器前設(shè)置一個(gè)差分低通濾波器,，用以盡可能多地從輸入端去除RF能量，保持每個(gè)輸入端與地之間的AC信號(hào)平衡,，以及在測(cè)量帶寬內(nèi)保持足夠高的輸入阻抗,，以避免降低對(duì)輸入信號(hào)源的帶載能力。
應(yīng)變傳感器工作電壓由橋壓產(chǎn)生電路供給,，其穩(wěn)定性直接影響輸入信號(hào)的測(cè)量精度,。為使測(cè)量誤差及輸入信號(hào)漂移最小，橋壓電路應(yīng)選用低溫度系數(shù)的精密基準(zhǔn)穩(wěn)壓芯片,，如LM399,、LM3999等。它們采用次表面隱埋技術(shù),，具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性好,、噪聲電壓低等優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)異的恒溫特性αT＝(0.3~2)×10-6/℃,，可有效消除溫度變化對(duì)基準(zhǔn)電壓的影響,。
系統(tǒng)增加了共模抑制電路，可進(jìn)一步減小系統(tǒng)噪聲和直流零點(diǎn)漂移誤差,，提高測(cè)試精度,；在儀表放大器輸出端設(shè)置一個(gè)低通濾波器以濾除高頻分量，降低低頻噪聲；增加緩沖驅(qū)動(dòng)電路,，加大放大器的帶載能力,，在放大器與負(fù)載相距較遠(yuǎn)時(shí)，效果明顯,。該系統(tǒng)解決了以往應(yīng)變儀中頻帶不足,、精度不高等難題，是一種新型的精密測(cè)試儀器,。
AD8230在應(yīng)變測(cè)試儀中的應(yīng)用
AD8230在精密應(yīng)變測(cè)試儀中主要用于共模抑制,、信號(hào)放大、自動(dòng)穩(wěn)零和輸出緩沖等,。
共模抑制電路
因應(yīng)變電橋輸出電壓很弱,，信號(hào)傳輸大多采用屏蔽電纜。在遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí),，信號(hào)線與電纜屏蔽層之間存在不容忽視的分布電容,，若將屏蔽層直接接地，則當(dāng)兩個(gè)輸入端各自對(duì)地電容不等時(shí),，將使系統(tǒng)的共模抑制能力下降,，影響后級(jí)測(cè)量精度。圖3采用一種積極的數(shù)據(jù)保護(hù)措施,，將屏蔽層適當(dāng)驅(qū)動(dòng)后接于共模信號(hào)相等的電位點(diǎn)上,，改善AC CMR，從而不產(chǎn)生泄漏電流,，提高了信噪比,。
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圖3 改善共模抑制電路
圖4 輸出濾波,，緩沖電路
輸出濾波,、驅(qū)動(dòng)緩沖電路
AD8230放大器驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力較小，僅可驅(qū)動(dòng)10kW以上負(fù)載阻抗,。若負(fù)載阻抗小于10kW,，其輸出端應(yīng)再加一級(jí)精密驅(qū)動(dòng)緩沖器。根據(jù)應(yīng)用頻段,，在輸出端加設(shè)一個(gè)低通濾波器以濾除高頻分量,，推薦選用UAF42AU。它集濾波,、驅(qū)動(dòng)為一體,，通過改變引腳間連接，可靈活實(shí)現(xiàn)低通,、高通,、帶通或帶阻濾波,。當(dāng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載為2kW時(shí)，UAF42AU輸出擺幅為±11.5V,，可滿足測(cè)試儀在各領(lǐng)域的應(yīng)用要求,。輸出緩沖電路如圖4所示。
結(jié)語
AD8230可取代分立器件構(gòu)成的儀表放大器,，具有線性度好,、溫度穩(wěn)定性高、體積小,、可靠性高等特點(diǎn),，可用作低功耗醫(yī)用儀表放大器、熱電偶放大器,、電橋應(yīng)變測(cè)量放大器及用于傳感器接口,、工業(yè)過程控制和低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。由其構(gòu)成的應(yīng)變測(cè)試儀被廣泛應(yīng)用于物料計(jì)量稱,、傳感器儀表等,，實(shí)踐表明，該測(cè)試儀最大動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差 ≤1.53‰