為應(yīng)變計(jì)應(yīng)用選擇合適的放大器(08-100)

　　數(shù)據(jù)采集是對(duì)溫度、壓力、濕度、應(yīng)變以及各種其他物理現(xiàn)象進(jìn)行的極其多樣化的綜合性測(cè)量。此外，這些測(cè)量可能需要在惡劣條件下進(jìn)行，例如極端溫度、離心力和電子噪聲環(huán)境。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不但必須要用心地為他們的應(yīng)用選擇正確的傳感器，還必須努力地設(shè)計(jì)出合適的信號(hào)調(diào)理電路來(lái)處理這些問(wèn)題。本文將主要討論應(yīng)變計(jì)應(yīng)用中所需的信號(hào)調(diào)理電路，特別是可能會(huì)影響對(duì)要與應(yīng)變計(jì)一起使用的一個(gè)或多個(gè)放大器進(jìn)行選擇的參數(shù)。

　　應(yīng)變計(jì)簡(jiǎn)介

　　在討論放大器和信號(hào)調(diào)理電路之前，有必要快速介紹一下應(yīng)變計(jì)。顧名思義，“應(yīng)變”就是由于外力作用所產(chǎn)生的改變。應(yīng)變計(jì)使用電阻來(lái)表示由外力引起的應(yīng)變大小。應(yīng)變計(jì)有多種不同的類型，最常見(jiàn)的就是金屬應(yīng)變計(jì)。這種類型的應(yīng)變計(jì)由一根金屬絲或一小片金屬箔組成。在受到外力時(shí)，應(yīng)變計(jì)會(huì)發(fā)生形變(正向或反向)，從而導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)的電阻也隨之變化。電阻的這種變化是可以測(cè)量的，從而反映出所施加外力的大小。

　　那么，實(shí)際上應(yīng)如何測(cè)量應(yīng)變呢?由于惠斯通電橋電路的靈敏度極佳，所以通?？稍谄渲蟹胖靡粋€(gè)或多個(gè)應(yīng)變計(jì)。用于應(yīng)變計(jì)應(yīng)用的惠斯通電橋由按照菱形模式布置的四個(gè)元件組成，每個(gè)橋臂都有一個(gè)電阻元件(應(yīng)變計(jì)或固定電阻)。然后向該電橋施加一個(gè)激勵(lì)電壓，并測(cè)量菱形兩個(gè)相對(duì)端點(diǎn)之間的輸出電壓。四分之一橋電僅包括一個(gè)可變電阻元件—應(yīng)變計(jì)。半橋則有兩個(gè)可變電阻元件，而全橋中的所有四個(gè)元件均為可變電阻元件—在此例中，為應(yīng)變計(jì)。具有多個(gè)應(yīng)變計(jì)的好處就是增加了靈敏度。在所有其他配置相同的情況下，半橋配置的靈敏度是四分之一電橋的兩倍，而全橋的靈敏度是四分之一電橋的四倍。

　　信號(hào)調(diào)理

　　即使在惠斯通電橋配置中使用了多個(gè)應(yīng)變計(jì)，輸出電壓的總體變化仍然相對(duì)較小，通常在毫伏范圍內(nèi)。由于信號(hào)幅度較小，所以在通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之前，通常需要一個(gè)增益級(jí)?？赡苓€必須濾除模擬輸入信號(hào)中的特定噪聲源。噪聲源的一些示例包括電源線嘈雜聲(50 Hz或60 Hz)、機(jī)械共振或外部電子干擾。最后，任何信號(hào)調(diào)理電路都不得向系統(tǒng)中添加大噪聲，否則來(lái)自惠斯通電橋的較小輸出電壓就會(huì)丟失?？傊?，信號(hào)調(diào)理電路必須有足夠高的增益，能提供適當(dāng)?shù)臑V波并具有較低的噪聲。

　　失調(diào)電壓和開(kāi)環(huán)增益

　　根據(jù)橋式應(yīng)變計(jì)的輸出擺幅和ADC的滿量程輸入，模擬信號(hào)可能需要放大500倍或更高倍數(shù)。此外，該電路必須提供足夠的裕量，這樣信號(hào)就不會(huì)使放大器或ADC飽和。在選擇增益級(jí)放大器時(shí)必須考慮以下幾個(gè)方面。

　　首先，由于需要較高的增益，因此放大器的失調(diào)電壓變得非常重要。由放大器產(chǎn)生的失調(diào)電壓將與增益相乘。例如，一個(gè)失調(diào)電壓為1mV而增益配置為500倍的放大器會(huì)在放大器的輸出端產(chǎn)生0.5V的誤差電壓。對(duì)于一個(gè)在滿量程時(shí)產(chǎn)生10mV輸出電壓的應(yīng)變計(jì)橋，放大器的這一失調(diào)誤差可導(dǎo)致出現(xiàn)10%的測(cè)量誤差。因此，需要一個(gè)低失調(diào)的精密放大器，例如MCP606。

　　第二，在仍能保持性能的同時(shí)，放大器必須具有足夠大的開(kāi)環(huán)增益以提供所需的放大倍數(shù)。典型放大器的開(kāi)環(huán)增益在某一頻率范圍內(nèi)是恒定的，然后以每十倍頻20dB的速度開(kāi)始下降。大部分通用放大器的開(kāi)環(huán)增益范圍為100dB至120dB。這類放大器可處理上述的為500倍的增益，但是可能會(huì)限制系統(tǒng)的整體性能。

　　例如，假設(shè)放大器的開(kāi)環(huán)增益為120dB，并且?guī)捵銐虼?，允許放大器在增益為500倍所對(duì)應(yīng)的頻率下正常工作。500倍的增益大約相當(dāng)于54 dB，所以放大器的54dB開(kāi)環(huán)增益用于提供增益。剩余的66dB為開(kāi)環(huán)增益裕度，用于確保線性度，如圖1所示。

　　圖1 開(kāi)環(huán)增益—頻率關(guān)系曲線