【導(dǎo)讀】儀表放大器(IA)是檢測應(yīng)用的主力。本文將探討一些利用儀表放大器的平衡和出色直流/低頻共模抑制(CMR)特性的方法,使得儀表放大器配合阻性傳感器(例如應(yīng)變計(jì))使用,傳感器與放大器在物理上分離。本文將提出一些提高此類增益級(jí)的抗噪性,同時(shí)降低其對(duì)電源變化和元件漂移的敏感性的方法。文章還會(huì)提供實(shí)測性能值和結(jié)果以展示精度范圍,方便最終用戶應(yīng)用進(jìn)行快速評(píng)估。
詳細(xì)說明
說到傳感器,幾乎沒有什么能比得過惠斯登電橋(圖1)。該電橋可產(chǎn)生差分電壓,當(dāng)物理參數(shù)變化時(shí),差分電壓會(huì)隨之發(fā)生可預(yù)測的變化。差分電壓還有抑制溫度和時(shí)間漂移的附帶好處。差分電壓位于較大共模(CM)電壓之上。使用儀表放大器來放大電橋提供的小信號(hào)。儀表放大器的優(yōu)點(diǎn)在于,在電橋元件負(fù)載很少或沒有負(fù)載的情況下,它可以檢測差分電壓并將CM抑制到傳統(tǒng)運(yùn)算放大器無法實(shí)現(xiàn)(因?yàn)橐笸獠侩娮韪叨绕ヅ洌┑某潭取?/div>
圖1. 惠斯登電橋
物理測量所用的電子設(shè)備常常遠(yuǎn)離被測物理參數(shù)。例如,埋在卡車稱重站路面下方或橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)變計(jì)測量,不太可能位于讀取測量結(jié)果的電子設(shè)備旁邊。當(dāng)使用雙線四分之一橋接應(yīng)變計(jì)(例如Omega公司的SGT-1/350-TY43)時(shí),傳感器放在遠(yuǎn)離檢測放大器的地方,如圖2所示,產(chǎn)生的結(jié)果不令人滿意,即便傳感器引線使用屏蔽雙絞線也無效。
圖2. 遠(yuǎn)程傳感器設(shè)置受到環(huán)境噪聲拾取的影響
問題在于,屏蔽雙絞線不是對(duì)長電纜線路上的所有干擾都能抑制。在這種情況下,不能依靠儀器的良好平衡輸入來消除CM影響。長電纜拾取的干擾對(duì)放大器正負(fù)輸入的影響是不均衡的,而且輸入包含CMR無法消除的不相關(guān)信號(hào)。因此,如圖3所示,由于對(duì)CM噪聲(看似如此)的響應(yīng)不平衡,在電路輸出端發(fā)現(xiàn)明顯噪聲并不奇怪。
圖3. 麻煩的放大器輸出端120 Hz噪聲(0.1 V/div,2 ms/div)
為了從CM(直流和干擾)中成功提取很小的電橋差分電壓,一種解決方案是使用兩對(duì)屏蔽或非屏蔽雙絞線(UTP)。這樣,儀表放大器的兩個(gè)輸入實(shí)現(xiàn)均衡,受到的CM噪聲影響相同,如圖4所示。諸如LT6370之類的器件具有出色的低頻CMR (120 dB),能夠可靠地抑制困擾IA輸入的噪聲。結(jié)果,即使在嘈雜的環(huán)境中,遠(yuǎn)距離輸出波形也很干凈。
圖4. 使用兩根非屏蔽雙絞線進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測
有了LT6370的全部CMR功能,我們可以更進(jìn)一步,通過減少一對(duì)接線來簡化配置,僅留下一根UTP。此概念如圖5所示,其中U2的輸入保持平衡以獲得良好的CMR。注意UTP引線看起來與U2相同,并有相同的對(duì)地阻抗(R2、R4)。
圖5. 用于遠(yuǎn)程檢測的單根UTP
對(duì)于圖5所示的元件值,流過傳感器RSENSOR的電流約為1 mA。使用U1的RG1值,該級(jí)以G = 10 V/V運(yùn)行,輸出電壓為RSENSOR上電壓的10倍放大副本,約為3.5 V。U1的主要任務(wù)是消除UTP長導(dǎo)線上存在的且僅響應(yīng)傳感器電壓的干擾,傳感器電壓等于傳感器電阻乘以流經(jīng)其中的約1 mA電流。LT6370出色的低失調(diào)電壓和漂移,以及優(yōu)異的CMR特性,使其成為顯而易見的選擇。
惠斯登電橋的另一半由R5、R6和VR1組成,其電流與電橋的傳感器部分幾乎相同。U1輸出端的傳感器電壓和VR1游標(biāo)處的基準(zhǔn)電壓均經(jīng)過低通濾波后達(dá)到U2的差分輸入端,以消除干擾噪聲。U2設(shè)置為高增益(G = 1 + 24.2 kΩ/RG2 = 100 V/V),以放大正輸入端上的非常小的傳感器電壓,而負(fù)輸入端上是固定的低噪聲基準(zhǔn)電壓,自基準(zhǔn)電壓源 LT6657-5 產(chǎn)生。U1輸出精確代表實(shí)測的施加于傳感器(其附著于目標(biāo)元件或材料)的應(yīng)變,以驅(qū)動(dòng)ADC或其他類似的信號(hào)處理。
可選DAC和OPA(U4、U5)連接到U2的REF引腳(如果不需要偏移調(diào)整,可以將其接地),可用于提供輸出偏移調(diào)整和調(diào)零。使用DAC可以將U2輸出電壓移動(dòng)到適合所選ADC的基準(zhǔn)或CM電平。例如,基準(zhǔn)電壓為5V的ADC可以直接從U2驅(qū)動(dòng),使用DAC驅(qū)動(dòng)U2REF輸入,將其零輸出設(shè)置為2.5V。這樣,0 V至2.5 V ADC模擬輸入代表壓縮應(yīng)變,2.5 V至5 V信號(hào)代表拉伸應(yīng)變。需要注意的是,驅(qū)動(dòng)U2 REF引腳的器件(本例中為AD820)應(yīng)保持低阻抗,以消除任何可能的增益誤差。
以下是輸出電壓與傳感器電阻的關(guān)系以及輸出電壓與被測量應(yīng)變(ε)的關(guān)系的表達(dá)式:
其中,ΔRSENSOR為應(yīng)變引起的傳感器電阻的變化
其中:
L 指傳感器長度
ε 指被測應(yīng)變量
對(duì)于所選的傳感器:
Rsensor = 350 Ω
GF= 2
產(chǎn)生的應(yīng)變(ε)為:
LT6370的超低增益誤差(G = 10 V/V時(shí)小于0.084%)和低輸入失調(diào)電壓(全溫度范圍內(nèi)最大值小于50 μV),保證U2獲得傳感器電壓的真實(shí)副本,減去UTP拾取的干擾,與U2反相輸入端產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。LT6657-5產(chǎn)生穩(wěn)定、低噪聲、低漂移的基準(zhǔn)電壓,使整個(gè)電路不受電源電壓變化的影響。特別重要的是,LT6657-5的1/f噪聲很低,這點(diǎn)意義重大,因?yàn)殡娐返脑鲆婧艽蟆?/div>
U2每個(gè)輸入端的簡單RC低通濾波器(R9、C2和R10、C3)的滾降頻率設(shè)置為約10 Hz,輸出噪聲可以通過限制帶寬來降低。如圖6所示,LT6370的1/f噪聲轉(zhuǎn)折頻率很低(<10 Hz),1/f噪聲的影響很小,這是一個(gè)優(yōu)勢。此外,電流噪聲密度圖顯示,利用輸入端噪聲的相關(guān)分量,保持兩個(gè)輸入阻抗平衡以使電流噪聲影響最低要好得多。因此,由于VR1的游標(biāo)具有等效阻抗,R10的值降至3.74 kΩ,以與4.75 kΩ的R9阻抗匹配。
圖6. LT6370輸入基準(zhǔn)電流/電壓噪聲密度
結(jié)語
電橋傳感器遠(yuǎn)離信號(hào)處理放大器,需要儀表放大器來提取干凈的實(shí)測差分電壓。LT6370儀表放大器的特性使其能夠成功處理遠(yuǎn)程傳感器通過長電纜傳來的信號(hào)。LT6370制造工藝在生產(chǎn)測試期間調(diào)用片內(nèi)加熱器來保證溫度漂移值,進(jìn)一步增強(qiáng)了LT6370對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用的適應(yīng)性,并延長了其在難以維修的設(shè)備中的使用壽命和產(chǎn)品壽命。
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