自動調零放大器在應變測試儀中的應用

引言

應變片式傳感器應用十分廣泛，它采用電橋式電路結構，以提高輸出靈敏度。但一個微應變橋路輸出只有2mv左右，即使在滿載情況下，應變片的最大輸出也只有數(shù)十mv，這就要求前置測量放大電路具有高增益、高精度、低噪聲，低漂移等特點，一般集成運算放大器都是利用參數(shù)補償原理的直接耦合或者阻容耦合方式，它們的初始失調參數(shù)并不等于零，而是用調零電位器或精密修正技術進行失調參數(shù)的補償，這使得直接耦合放大器在放大信號的同時也放大了漂移，而阻容耦合放大器雖能抑制漂移，但不能用來放大微弱的直流信號或緩慢變化的信號，它會將這種信號作為漂移移植掉，使用自動穩(wěn)零技術的精密儀表放大器ad8230就能很好地解決抑制漂移的同時又放大微弱直流信號這個問題，以滿足精密應變測試儀的設計要求。

ad8230的工作原理與特性

ad8230是adi公司的一款利用動態(tài)校零技術，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)標準ad62x系列儀表放大器相比，ad8230許多關鍵的性能提高；具有108歐姆的高輸入阻抗，能有效地抑制信號源與傳輸網(wǎng)絡阻抗不對稱引起的誤差；在－40℃－＋125℃的工作溫度范圍能，輸入失調電壓為10μv、失調電壓溫度漂移只有50nv/℃，共模抑制比高達140db，能有效地抑制共模干擾引入的誤差，提高系統(tǒng)信噪比和對溫度影響的抵抗能力，輸入/輸出擺幅可達電源限（－vs－＋vs），以適應信號源電平的較寬范圍，具有較高的增益及較寬的增益調節(jié)范圍（g＝2－1000），其典型增益誤差為±0.01％，增益非線現(xiàn)誤差僅為20ppm，有效地保障了系統(tǒng)的測量精度。

放大器增益兩個外部電阻器設置，以實現(xiàn)溫度系數(shù)(tc)匹配。

ad8230由參考端電位確定零輸出電壓，當負載與系統(tǒng)地不明確地時特別有用，它提供了一種對輸出引入精密補償?shù)姆椒ǎ脜⒖级诉€可提供一個虛地電壓放大雙極性信號，若ad8230相對地輸出，則參考端應接地，為了使接地回路阻抗最小，達到最佳的cmr，參考端應接到一個低阻抗接點，建議使用接地平面。

自動調零（或自動穩(wěn)零）是一種動態(tài)地抵消失調電壓和失調電壓漂移的技術，它能將相對輸入端的失調電壓降低到μv級，將失調電壓漂移降低到nv/℃級。動態(tài)抵消失調的另一優(yōu)點是可降低低頻噪聲，特別是1/f噪聲，自動穩(wěn)零運算放大器的基本指導思想是：如果能將運放兩個輸入端短路時或加共模輸入信號時的輸出電壓（誤差電壓）先用電容器寄存起來（簡稱采樣），再與運放正常工作時的輸出電壓相減（簡稱校零）則可有效地減小失調電壓、失調電流及溫度變化和電源電壓波所引起的漂移，也可以有效地抑制共模信號。

ad88230具有自穩(wěn)零電路結構，其內部信號路徑由一個有源差分采樣保持級（前置放大器）和一個差分放大級（增益放大器）組成，兩級放大器都能實現(xiàn)自穩(wěn)零，使失調和漂移減少到最低，全差分電路結構增強了對寄生增生的抵抗能力。自動穩(wěn)零基本原理如圖1所示，這里以兩個相繼時鐘相位a、b分別描述其內部工作順序。

電路通過電子開關來切換兩個階段循環(huán)工作：在時鐘上半周期，電路處于采樣階段，采樣電容器csample連接到信號輸入端，該輸入信號的差分電壓vdiff被存儲在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，以時其輸出保持在以前采樣的輸入信號幅度，在時鐘下半周期，電路處于動態(tài)校零和放大階段，csample上采集的差分信號被提供給增益放大器，刷新存儲在chold上的電壓值，并由增益放大器放大。當csample連接到前置放大器的輸出端時，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。

精密應變測試儀的實現(xiàn)

應變測試儀主要由橋壓產生、射頻干擾（rfi）濾波、共模抑制、信號放大、低通濾波和緩沖驅動等電路構成，其結構框圖如圖2所示。

在實際應用環(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誤差，同時考慮到信號傳輸線路長、強度弱的情況，在儀表放大器前設置一個差分低通濾波器，用以盡可能多地從輸入端去除rf能量，保持每個輸入端與地之間的ac信號平衡，以及在測量帶寬內保持足夠的輸入阻抗，以避免降低輸入信號源的帶載能力。

應變傳感器工作電壓由橋壓產生電路供給，其穩(wěn)定性直接影響輸入信號的測量精度，為使測量誤差及輸入信號漂移最小，橋壓電路應選用低溫度系數(shù)的精密基準穩(wěn)壓芯片，日lm399、lm3999等，它們采用次表面隱埋技術，具有長期穩(wěn)定性好、噪聲電壓低等優(yōu)點，其優(yōu)異的恒溫特新at＝（0.3～2）×10－6/℃，可有效消除溫度變化對基準電壓的影響。

系統(tǒng)增加了共模抑制電路，可進一步減小系統(tǒng)噪聲和直流零點漂移誤差，提高測試精度，在儀表放大器輸出端設置一個低通濾波器以濾除高頻分量，降低低頻噪聲；增加緩沖驅動電路，加大放大器的帶載能力，在放大器與負載相距較遠時，效果明顯，該系統(tǒng)解決了以往應變儀中頻帶不足，精度不高等難題，是一種新型的精密測試儀器。

ad8230在應變測試儀中的應用

ad8230在精密應變測試儀中主要用于共模抑制、信號放大、自動穩(wěn)零和輸出緩沖等。

共模抑制電路

因應變電橋輸出電壓很弱，信號傳輸大多采用屏蔽電纜。在遠距離測量時，信號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，則當兩個輸入端各自對電容不等時，將使系統(tǒng)的共模抑制能力下降，影響后級測量精度。圖3采用一種積極的數(shù)據(jù)保護措施，將屏蔽層適當驅動后接于共模信號相等的電位點上，改善accmr，從而不產生泄漏電流，提高了信噪比。

輸出濾波、驅動緩沖電路

ad8230放大器驅動負載能力較小，僅可驅動10k歐姆以上負載阻抗。若負載阻抗小于10k歐姆，其輸出端應再加一級精密驅動緩沖器，根據(jù)應用頻段，在輸出端加設一個低通率濾波器以濾除高頻分量，推薦選用uaf42au。它集濾波、驅動為一體，通過改變引腳間連接，可靈活實現(xiàn)低通、高通、帶通或帶阻濾波。當驅動負載為2k歐姆時，uaf42au輸出擺幅為±11.5v，可滿足測試儀在各領域的應用要求，輸出緩沖電路如圖4所示。

結語

ad8230可取代分立器件構成的儀表放大器，具有線性度好、溫度穩(wěn)定性高、體積小、可靠性高等特點，可用作低功耗地用儀表放大器，熱電耦放大器、電橋應變測量放大器及用于傳感器接口、工作過程控制和低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，由其構成的應變測試儀被廣泛應用于物料計量稱、傳感器意表等，實踐證明，該測試儀最大動態(tài)測量誤差≤1.53‰。