用于應(yīng)變儀的程控精密激勵(lì)源設(shè)計(jì)

　　1 引 言

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

　　2 應(yīng)變測(cè)量原理及其要求

　　應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)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(shù)轉(zhuǎn)化成與之成比列的電學(xué)參數(shù)。應(yīng)變片在工作過程中引起的是電阻的變化。通過測(cè)量電橋的微小電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，再經(jīng)過放大器放大，并根據(jù)某一比列常數(shù)關(guān)系，將其變換成試件的應(yīng)變值面展示出來。完成上述工作的儀器叫做應(yīng)變儀。其原理如圖1所示。

 
　　應(yīng)變片所感受的機(jī)械應(yīng)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(shù)量級(jí)之間。這樣小的電阻變化一般的電阻測(cè)量?jī)x表很難測(cè)出，所以必須采用一定形式的測(cè)量電路將微小的電阻變化率轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化，才能用電子儀表紀(jì)錄或顯示出來。
測(cè)量電路至少滿足下面兩個(gè)要求：

　　(1)測(cè)量電橋和其激勵(lì)都應(yīng)當(dāng)有足夠高的精度，并可根據(jù)測(cè)試的不同要求，可靈活控制激勵(lì)大小。

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

　　本文詳細(xì)探討精密可程控恒壓恒流源的發(fā)生、控制、驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。

　　3 激勵(lì)源方案設(shè)計(jì)

　　應(yīng)變儀對(duì)橋源的精度要求很高，所以在電源的設(shè)計(jì)過程中一定要注意電源的精度能夠達(dá)到要求。電源除了要滿足精度要求以外，為了滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)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(dāng)儀器儀表輸出的模擬信號(hào)需要傳輸較遠(yuǎn)距離時(shí)，一般采用電流信號(hào)而不是電壓信號(hào)，因?yàn)殡娏餍盘?hào)抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)線電阻不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)損失。電流大小由負(fù)載大小決定，一般為0 mA～20 mA。當(dāng)智能儀器輸出的模擬信號(hào)需要傳輸給多個(gè)儀器儀表時(shí)，一般采用直流電壓信號(hào)而不是直流電流信號(hào)。這是因?yàn)?，如果采用直流電流信?hào)，為了保證多個(gè)接收信號(hào)的設(shè)備獲得同樣的信號(hào)，必須將他們的輸入端互相串聯(lián)起來。這就導(dǎo)致了一個(gè)不可靠的因素，當(dāng)任何一個(gè)接收設(shè)備發(fā)生斷路故障時(shí)，其他接收設(shè)備也會(huì)失去信號(hào)。而且，互相串聯(lián)的各個(gè)接受設(shè)備也會(huì)失卻信號(hào)。而且，互相串聯(lián)的各個(gè)接受設(shè)備對(duì)地的電位不等，也會(huì)引出一些麻煩。 同時(shí)為了增加應(yīng)變儀使用的靈活性和廣泛性，本設(shè)計(jì)研制了可程控電源。所謂程控電源就是能夠按照預(yù)先設(shè)定好的程序和數(shù)值自動(dòng)控制電源設(shè)備的輸出(電壓或電流)，使其穩(wěn)定在給定數(shù)值。

　　為滿足本設(shè)計(jì)中電阻應(yīng)變儀對(duì)橋源的不同需求，給出如下的激勵(lì)源設(shè)計(jì)指標(biāo)：

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

 
　　4 程控恒壓源基準(zhǔn)電路

　　如圖2所示，在本模塊中，為了保證設(shè)計(jì)精度我們選用16位可編程D／A轉(zhuǎn)換器，這樣我們可以使其步長為10W(216)≈0.152mV。所以當(dāng)我們的電壓激勵(lì)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(tǒng)設(shè)計(jì)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(fù)載的能力很差，不能驅(qū)動(dòng)后面的V／I選擇電路和恒壓恒流源驅(qū)動(dòng)電路，則我們需要在DAC輸出之后加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，在這里我們選擇的是高精度運(yùn)算放大器OPA 227。從圖中可以一開到我們是用的是開環(huán)連接方式，這樣即可以實(shí)現(xiàn)最大電壓值以控制場(chǎng)效應(yīng)管的G端又能達(dá)到電壓隔離的目的。

　　5  V／I選擇電路及驅(qū)動(dòng)電路

　　由于對(duì)同一負(fù)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)無電阻值(以保證使用恒壓源時(shí)不會(huì)對(duì)負(fù)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(fù)載使用恒流源時(shí)，需要具有低漂移，高精度，而大功率的驅(qū)動(dòng)電路，一般的精密儀表放大器難以同時(shí)滿足以上條件。所以在本文中我們采用了一個(gè)全新方法來產(chǎn)生高精度，且大電流的恒流源方式。

　　5.1恒壓源驅(qū)動(dòng)電路

　　如圖3所示，假設(shè)此時(shí)DAC輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓值為8 V，則同過開環(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(yīng)管IRF 840的G端，以控制其開閉。同時(shí)從OPA 227負(fù)端輸出同樣的標(biāo)準(zhǔn)電壓值8V至繼電器的COM端。通過ON／OFF控制信號(hào)，使繼電器的COM端和ON端連通。由于繼電器的內(nèi)阻非常小，可以忽略不計(jì)，所以可以認(rèn)為其無分壓效應(yīng)，則其外接負(fù)載電橋的1端電壓為標(biāo)準(zhǔn)的8V，而其2端通過繼電器接地。同時(shí)對(duì)于IRF840的G端和S端，它們的電壓為VGS=4V，而VDS=4V，由場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性可知，此時(shí)在場(chǎng)效應(yīng)管可以通過最大1 A的電流，但是在本設(shè)計(jì)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(fù)載電橋阻值決定，而+12V電源和其保護(hù)電阻R1只起到提供電流的作用。

　　通過以上設(shè)置，我們可以在為外接負(fù)載電橋提供精密程控恒壓源的同時(shí)，避免了從應(yīng)變儀本身電源引入得噪聲。因?yàn)橥ǔ?yīng)變儀使用外部220V交流電源，再在應(yīng)變儀內(nèi)部經(jīng)過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(yīng)變儀的電源之中留下很強(qiáng)的工頻噪聲。對(duì)于測(cè)試微小應(yīng)變的電橋來說，顯然這些噪聲是不可接受的。而本設(shè)計(jì)的好處就在于，我們既通過DAC產(chǎn)生的電壓外接負(fù)載電橋提供了高精度的恒壓基準(zhǔn)，又由儀器本身的電源通過場(chǎng)效應(yīng)管提供驅(qū)動(dòng)電流，在大幅提高應(yīng)變儀帶負(fù)載能力的同時(shí)，有效地將噪聲減之最小。

　　5.2恒流源驅(qū)動(dòng)電路

　　同樣如圖4所示，當(dāng)繼電器的COM端和OFF端相接觸時(shí)。此時(shí)外接負(fù)載電橋的2端通過繼電器連接的一個(gè)400Ω的精密電阻接地，與此同時(shí)2端還與基準(zhǔn)電壓電路輸出的精確電壓值V-COM通過繼電器相連。同時(shí)電橋的1端仍然和場(chǎng)效應(yīng)管的S端連在一起。我們?nèi)匀辉O(shè)V-COM=8 V，則此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管的VGS=4V而VDS>0V，所以場(chǎng)效應(yīng)管處于打開狀態(tài)。而流過負(fù)載電橋的電流，由基爾霍夫定律可知：從負(fù)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的大小是可以通過電壓基準(zhǔn)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(yīng)變儀自身的+12V電源和場(chǎng)效應(yīng)管只是提供負(fù)載電橋的電流，但不能決定其大小。所以我們同樣實(shí)現(xiàn)了在為外接負(fù)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(jié)束語

　　通過對(duì)DAC，場(chǎng)效應(yīng)管和繼電器的有效組合，組成了滿足應(yīng)變測(cè)試要求的精密，低誤差，低噪聲的程控恒壓／恒流源。通過DAC為負(fù)載電橋生成精密的基準(zhǔn)電壓或電流值，但是通過儀器本身的電源提供負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電流。這樣既解決了一般的橋源驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)的問題，又有效的隔離了應(yīng)變儀電源本身所帶的噪聲。同時(shí)我們通過FPGA對(duì)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(lì)源在使用之中，有效的降低了電路的功耗?？傊啾扔谄渌糜趹?yīng)變儀的橋源，本設(shè)計(jì)體積更小，功耗更低，配置靈活同時(shí)也達(dá)到了測(cè)量要求。本設(shè)計(jì)已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)際的應(yīng)變儀之中，通過實(shí)際試驗(yàn)與使用，其達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。