微弱信號(hào)調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的探討

模擬電路的設(shè)計(jì)知識(shí)雖散, 設(shè)計(jì)人員需具備一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但也是有軌可尋。本文通過直流激勵(lì)MEMS壓力傳感器，尤其是交 直流激勵(lì)MEMS差分電容振動(dòng)加速度傳感器的調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn) 二個(gè)典型電路，來闡述模擬電路的設(shè)計(jì)的一些方法、規(guī)律，拋磚引玉。

引言:

在20 世紀(jì)80 年代崛起的數(shù)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(xiàn)時(shí)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)自然認(rèn)識(shí)的“與時(shí)俱進(jìn)”，在電子電路技術(shù)領(lǐng)域?qū)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/模擬電子">模擬電子線 路的認(rèn)識(shí)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實(shí)現(xiàn)，但至今仍有許多模擬電路不得不采用大 量的分離電路 或 混合電路來實(shí)現(xiàn)，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(yīng)當(dāng)首推為 微弱信號(hào)的調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。成功的電路測控系統(tǒng)，要求傳感器和模擬電路 有有機(jī)的阻抗匹配和能量匹配，系統(tǒng)要求電路平衡。

通常定義傳感器是一種換能器， 嚴(yán)格來說, 傳感器是一種接收信號(hào)或受激勵(lì) 并以電信號(hào)響應(yīng)的能 量轉(zhuǎn)換器件。傳感器將其它類型的能轉(zhuǎn)換成電能，正是因?yàn)閭鞲衅饔腥绱祟愋偷奶攸c(diǎn), 傳感器及其相關(guān) 的轉(zhuǎn)換、 調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路可用來測量各種不同的物理量， 例如： 溫度、力、壓力、流量、 光強(qiáng)、物體加速度等。但是就傳感器本身而言傳感器不能獨(dú)立工作，通常 它是和信號(hào)調(diào)理電路和各種 模擬信號(hào)電路或數(shù)字信號(hào)電路構(gòu)成一個(gè)電路系統(tǒng)。

大多數(shù)傳感器其滿度輸出都是相當(dāng)小的微弱的信號(hào),在進(jìn)一步作模擬或數(shù)字處理之前,必須對(duì)它們 的輸出進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。?jù)此, 便發(fā)展出了通常稱之為的信號(hào)調(diào)理電路的一大類分枝電路。這類電路， 大至 分為放大、電平轉(zhuǎn)換、電隔離、阻抗變換、線性變換和濾波電路等。 但是,不管采取哪種調(diào)理方 式, 調(diào)理電路的結(jié)構(gòu)和性能都取決于傳感器的電特性和輸出。根據(jù)傳感器的一種分類法,將傳感器分為 有源和無源二類。一般而言,有源類傳感器是指無需外部激勵(lì)自身可以產(chǎn)生變化的電信號(hào)；無源類傳感 器 則是指 需外部激勵(lì)方可產(chǎn)生變化的電信號(hào),且自身不能產(chǎn)生電信號(hào)。 激勵(lì)又可分為 直流激勵(lì),交流 激勵(lì), 交直流混和激勵(lì) 三種。

本文 根據(jù)上述傳感器的分類,聯(lián)系具體的MEMS 壓阻式、MEMS 電容式傳感器的應(yīng)用。來談一談?wù){(diào)理 電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)的一些方法、規(guī)律。

傳感器調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)

1)直流激勵(lì)MEMS 壓力傳感器調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)

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(jī)械MEMS 壓力傳感器。 微機(jī)械MEMS 系統(tǒng) 傳感器,是近些年來發(fā)展較快的一新科技領(lǐng)域，是以硅為基體,在此基礎(chǔ)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(duì)惠斯 通橋臂電阻被光刻在硅懸臂梁的正反二面上, 當(dāng)懸臂梁受外力脅迫變形時(shí), 會(huì)對(duì) 這對(duì)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(duì)電橋臂電阻的阻值 就會(huì)發(fā)生變化。外力引起的變化調(diào)制成這 對(duì)電阻的阻值變化。硅 MEMS 壓力傳感器是一種無源傳感器, 硅懸臂梁在壓力作用下產(chǎn)生變形,從而引 起這對(duì)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(lì)下,外加壓力通過引起電阻的變化， 被調(diào)制成電信號(hào)的變化。

這對(duì)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(yīng)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。

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(jí)運(yùn) 放 U1 采用增益可調(diào)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(tǒng)精度。

圖二 增益可調(diào)平衡差動(dòng)放大電路原理及等效電路圖

圖二是 增益可調(diào)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(jù)此推到出可調(diào)平衡差動(dòng)放大電路輸出對(duì)輸入的關(guān)系，由節(jié)點(diǎn)方程：

第一級(jí)運(yùn) 放 U1 采用的是差分輸入，選用的運(yùn)算放大器 是自斬波、自穩(wěn)零 運(yùn)算放大器 ICL7650。該放大器可同時(shí)完成調(diào)制和解調(diào)工作,因而可直接放大直流信號(hào),且失調(diào)小,輸入阻抗高.

差分信號(hào)經(jīng)一級(jí)ICL7650 放大后, 將通過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(yùn)算放大器是高精度、低漂移、運(yùn)算放 大器LF353。為提高系統(tǒng)精度，本電路系統(tǒng)采用 恒流，灌電流直流激勵(lì),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(tǒng)采用的是灌電流 恒流法。U3 和 周圍電路組成恒流源，調(diào)節(jié)電位器POT2 可以改變灌電流的大小。

2) 交 直流激勵(lì)MEMS

差分電容振動(dòng)加速度傳感器調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn) 加速度傳感器是將運(yùn)動(dòng)或重力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器,一般把 加速度傳感器與電信號(hào)調(diào)理電路集 成后制的成組件稱為加速度計(jì)。重力加速度及勻加速度常被稱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)加速度稱為交流加速度。 現(xiàn)流行的，科技較前沿的MEMS 器件加速度計(jì)，其傳感器原理一般基于差動(dòng)電容，加速度計(jì)主要由 質(zhì)量彈性元件，位移測量系統(tǒng)及信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成。

圖 三 平行金屬板電容器結(jié)構(gòu)原理圖

位移測量系統(tǒng)的基本工作原理常是利用電容變化的物理特性。最簡單的電容器是由兩平行金屬板 構(gòu)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(shù)。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(gòu)成差分電容來測量微小距離。

結(jié)論：可以根據(jù)測量△C 知到物體的運(yùn)動(dòng)速度和加速度，他們具有相應(yīng)的微分關(guān)系。

圖 四 MEMS 電容式振動(dòng)加速度傳感器結(jié)構(gòu)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(duì)位置，引起電容 變化，CS1≠CS2 ?？赏ㄟ^一定的測量電路，將電容的變化，在外加交流電壓的激勵(lì)下轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，電壓或電流輸出，通過測量電學(xué)量就能夠測得該物體相應(yīng)的瞬時(shí)速度或瞬時(shí)加速度值。

圖五 交直流激勵(lì)差分電容振動(dòng)加速度傳感器調(diào)理電路方框圖

如圖五所示， 差分電容振動(dòng)加速度傳感器（屬無源傳感器）需在外加電壓的作用下方能將振動(dòng)信 號(hào)調(diào)制為電信號(hào)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(hào)作激勵(lì)源，只能采取交流激勵(lì)法將振動(dòng)信號(hào)調(diào)制在交流激勵(lì)信號(hào)之上；將調(diào)制信號(hào)適度放大，使 之有了抗雜波和分辨的能力，再經(jīng)同步解調(diào)，解調(diào)出能反應(yīng)振動(dòng)加速度大小的電信號(hào)；電信號(hào)再經(jīng)過二 階低通濾波器，濾除高頻成分；最后 信號(hào)經(jīng)調(diào)整，經(jīng)跟隨器輸出。該套電路在開環(huán)的基礎(chǔ)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(hào)發(fā)生器芯片產(chǎn)生 1M Hz 的正弦交流信號(hào)；U1 （AD797）運(yùn)算放大器組成反相比例放大器，U2（AD797） 運(yùn)算放大器組成反同相比例放