基於儀錶放大器的感測器信號採集電路設計

1 引言
    感測器及其相關電路被用來測量各種不同的物理特性，例如溫度、力、壓力、流量、位置、光強等。這些特性對感測器起激勵的作用。感測器的輸出經過調理和處理，以對物理特性提供相應的測量。數字信號處理是利用計算機或專用的處理設備，以數值計算的方式對信號進行採集、變換、估計與識別等加工處理，從而達到提取信息和便於應用的目的。儀錶放大器具有非常優越的特性，能將感測器非常微弱的信號不失真的放大以便於信號採集。本文介紹在一個智能隔振系統中，感測器數據採集系統具有非常多的感測器，而且信號類型都有很大的差別的情況下如何使用儀錶放大器將感測器信號進行調理以符合模數轉換器件的工作範圍。

2 儀錶放大器在感測器信號調理電路中的應用
    儀錶放大器是一種高增益、直流耦合放大器，他具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比等特點。差分放大器和儀錶放大器所採用的基礎部件(運算放大器)基本相同，他們在性能上與標準運算放大器有很大的不同。標準運算放大器是單端器件，其傳輸函數主要由反饋網路決定；而差分放大器和儀錶放大器在有共模信號條件下能夠放大很微弱的差分信號，因而具有很高的共模抑制比(CMR)。他們通常不需要外部反饋網路。
    儀錶放大器是一種具有差分輸入和其輸出相對於參考端為單端輸出的閉環增益單元。輸入阻抗呈現為對稱阻抗且具有大的數值(通常為109或更大)。與由接在反向輸入端和輸出端之間的外部電阻決定的閉環增益運算放大器不同，儀錶放大器使用了一個與其信號輸入端隔離的內部反饋電阻網路。利用加到兩個差分輸入端的輸入信號，增益或是從內部預置，或是通過也與信號輸入端隔離的內部或外部增益電阻器由用戶設置。典型儀錶放大器的增益設置範圍為1～1000。
    儀錶放大器的特點：
(1)高共模抑制比
    共模抑制比(CMRR)則是差模增益(Ad)與共模增益(Ac)之比，即：CMRR=20lg(Ad/Ac)dB；儀錶放大器具有很高的共模抑制比，CMRR典型值為70～100 dB以上。
(2)高輸入阻抗
    要求儀錶放大器必須具有極高的輸入阻抗，儀錶放大器的同相和反相輸入端的阻抗都很高而且相互十分平衡，其典型值為109～1012 Ω低雜訊由於儀錶放大器必須能夠處理非常低的輸入電壓，因此儀錶放大器不能把自身的雜訊加到信號上，在1 kHz條件下，摺合到輸入端的輸入雜訊要求小於10 nV/Hz。
(3)低線性誤差
    輸入失調和比例係數誤差能通過外部的調整來修正，但是線性誤差是器件固有缺陷，他不能由外部調整來消除。一個高質量的儀錶放大器典型的線性誤差為0.01%，有的甚至低於0.0001%。
(4)低失調電壓和失調電壓漂移
    儀錶放大器的失調漂移也由輸入和輸出兩部分組成，輸入和輸出失調電壓典型值分別為100 uV和2 mV。
(5)低輸入偏置電流和失調電流誤差
    雙極型輸入運算放大器的基極電流，FET型輸入運算放大器的柵極電流，這個偏置電流流過不平衡的信號源電阻將產生一個失調誤差。雙極型輸入儀錶放大器的偏置電流典型值為1 nA~50 pA,而FET輸入的儀錶放大器在常溫下的偏置電流典型值為50 pA。
(6)充裕的帶寬
    儀錶放大器為特定的應用提供了足夠的帶寬，典型的單位增益小信號帶寬在500 kHz~4 MHz之間。具有“檢測”端和“參考”端儀錶放大器的獨特之處還在於帶有“檢測”端和“參考”端，允許遠距離檢測輸出電壓而內部電阻壓降和地線壓降(IR)的影響可減至最小。
    為了有效地工作，要求儀錶放大器不僅能放大微伏級信號，而且還能抑制其輸入端的共模信號。這就要求儀錶放大器具有很大的共模抑制(CMR)：典型的CMR值為70～100 dB。當增益提高時，CMR通常還能獲得改善。

3 電流型感測器數據採集系統結構圖
    圖1示出4～20 mA電流型感測器的信號如何連接到16 bit Simultaneous ADC AD7656。4～20 mA感測器的信號是單端的。這一開始就提出了需要1隻簡單的分流電阻器以便把電流轉換成電壓加到ADC的高阻抗模擬輸入端。然而，迴路(到感測器)中的任何線路電阻都會增加與電流相關的失調誤差。
 
    因此必須差分地檢測該電流。在本系統中，1隻24.9 Ω的分流電阻器在AD627的輸入端產生介於100 mV(對應4 mA輸入)與500 mV(對應20 mA 輸入)之間的最大差分輸入電壓 在不存在增益電阻器的情況下，AD627把該500 mV輸入電壓放大5倍達到2.5 V，即ADC的滿度輸入電壓。4 mA的零點電流對應於代碼819，1 LSB對應0.61 mV。整個系統邏輯都通過CPLD進行控制並與DSP進行數據交換。

4 低功耗儀錶放大器AD627特點及性能
    AD627是一種低功耗的儀錶放大器。他採用單、雙兩種電源供電，並可實現軌-軌輸出。AD627在85 uA的電流下即可正常工作，並具有極佳的交流和直流特性。AD627採用工業標準8腳封裝，引腳排列圖如圖2所示。
 
  
    AD627的最大特點是允許用戶使用一個外部電阻器來設定增益。AD627的失調電壓、失調漂移、增益誤差和增益漂移均較低，因此，AD627可將用戶系統的直流誤差降到最低。由於有較好的高頻共模抑制比，AD627可保持最小的高頻誤差，也正是因為AD627具有較高的CMRR特性(可高達200 Hz)，從而使得傳輸線干擾和傳輸線諧波等都被排斥掉了。AD627採用真正的儀用放大器結構，他有兩個反饋環。其基本結構和典型的“雙運放”儀用放大器類似，只是細節有所不同。另外，AD627所具有的一個“電流反饋”結構，使得AD627具有較好的共模抑制比。AD627的基本電路見圖3所示。其中A1與V1，R5構成了第一個反饋迴路，通過該迴路可在Q1上得到穩定的集電極電流(假設增益設定電阻此時不存在)。電阻R1和R2組成的反饋環可使A1的輸出電壓和反向端電壓相等。通過A2可形成另一個幾乎完全相同的反饋環，他可使Q2的電流和Q1相等，同時A2還可提供輸出電壓。當兩個環平衡時，同向端到VOUT的增益為5，A1輸出到VOUT的增益為-4，A1的反向端增益是A2增益的1.25倍。AD627差動模式時的增益為1+R4/R3，額定值為5。AD627是通過電阻RG來設定增益的。
    增益G的設定可按下式確定：G=5+(200 kΩ/RG)可以看出：AD627的最小增益為5(RG=∞時)，在其增益精確度為0.05%～0.7%時，應使用0.1%的外部增益設置電阻以避免全增益誤差的較大衰減。另外，增益設置電阻RG的選擇可以從標準設置電阻表中選取最接近的值。分並檢單雙電源供電的軌一軌儀用放大器AD627比分立元器設計的放大器具有較好的直流交流性能，並且可以方便的用外部電阻設定增益，因而是感測器信號檢測的較好選擇。

5 儀錶放大器RFI抑制電路設計
    微功耗儀錶放大器AD627易受RF整流的影響，需要更具魯棒性的濾波器。AD627具有低輸入級工作電流。簡單地增加兩個輸入電阻器R1a和R1b的值或電容器C2的值，會以減小信號帶寬為代價提供進一步的RF衰減。由於AD627儀錶放大器具有比通用IC(例如，AD620系列器件)更高的雜訊(38 nV/Hz)，所以可以使用較高的輸入電阻器而不會嚴重降低電路的雜訊性能。為了使用較高阻值的輸入電阻器，設計出RC RFI電路，如圖4所示。濾波器的帶寬大約為200 Hz。在增益為100的條件下，1 Hz～20 MHz輸入範圍內施加1 Vp-p輸入信號，RTI最大DC失調漂移大約為400 uV。在相同增益條件下，該電路的RF信號抑制能力(輸出端的RF幅度/施加到輸入端的RF幅度)優於61 dB。如圖4所示：
 

6 差分模擬多路復用器ADG707介紹
    ADG707是8 to 1差分輸入模擬多路復用器，低導通電阻小到2.5 Ω，40 ns開關時間，低電壓供電+1.8～+5.5 V，在視頻音頻開關，數據保持系統，通信系統等領域有非常廣泛的應用。在本系統中使用3.3 V的電壓供電，以符合整個系統的電源分配。由於本系統所使用的感測器信號都是小信號能滿足ADG707的工作要求。

7 AD7656的電路配置
    電流型感測器的信號是通過上述儀錶放大器調理電路轉化為電壓信號的，電壓型感測器信號可以直接通過運算放大器(例如，AD8021)輸入AD7656。本系統使用16 b ADC AD7656，能滿足系統的高精度要求，同時系統中所採用的感測器信號的更新頻率都比較低，最大不超過20 kHz，而AD7656的採樣頻率為250 kb/s，顯然能滿足要求。AD7656可以進行6路同步採樣對於擴展感測器的個數提供了非常大的餘地。AD7656的電路配置如圖5所示：
 

8 結語
    設計考慮在儀錶放大器的電路設計中，以下一些實際問題需要考慮：
(1)AD627的增益是通過改變編程電阻RG實現的。為了使AD627的輸出電壓增益精確，應使用誤差小於0.1% ～1%的電阻；同時，為了保持增益的高穩定性，避免高的增益漂移，應選擇低溫度係數的電阻。
(2)由於AD627的輸出電壓為相對於基準端的電壓，為獲得較高的共模抑制比，REF引腳應連接於低阻抗點。
(3)所有的儀錶放大器都能將通帶外的高頻信號整流；整流后，這些信號在輸出中表現為直流失調誤差。可以設計一個低通濾波器防止不必要的雜訊到達差分輸入端。在很多應用中，屏蔽電纜被用來減少雜訊；為了在整個頻率範圍內得到最好的共模抑制比，屏蔽層必須正確連接。在本文中，結合本人的工作實際詳細說明了基於儀錶放大器的感測器信號調理電路設計，並對容易遇到的問題進行了剖析，從工程的角度提供了一種行之有效的方案。