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基于仪表放大器的传感器信号采集电路设计

作者:蔡延财 , 刘勇 , 陈永冰 , 王璐 时间:2008-06-23来源:现代电子技术

  4 低功耗仪表AD627特点及性能

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/84632.htm

  AD627是一种低功耗的仪表。他采用单、双两种电源供电,并可实现轨-轨输出。AD627在85 uA的电流下即可正常工作,并具有极佳的交流和直流特性。AD627采用工业标准8脚封装,引脚排列图如图2所示。

  AD627的最大特点是允许用户使用一个外部电阻器来设定增益。AD627的失调电压、失调漂移、增益误差和增益漂移均较低,因此,AD627可将用户系统的直流误差降到最低。由于有较好的高频共模抑制比,AD627可保持最小的高频误差,也正是因为AD627具有较高的CMRR特性(可高达200 Hz),从而使得传输线干扰和传输线谐波等都被排斥掉了。AD627采用真正的仪用结构,他有两个反馈环。其基本结构和典型的“双运放”仪用类似,只是细节有所不同。另外,AD627所具有的一个“电流反馈”结构,使得AD627具有较好的共模抑制比。AD627的基本电路见图3所示。其中A1与V1,R5构成了第一个反馈回路,通过该回路可在Q1上得到稳定的集电极电流(假设增益设定电阻此时不存在)。电阻R1和R2组成的反馈环可使A1的输出电压和反向端电压相等。通过A2可形成另一个几乎完全相同的反馈环,他可使Q2的电流和Q1相等,同时A2还可提供输出电压。当两个环平衡时,同向端到VOUT的增益为5,A1输出到VOUT的增益为-4,A1的反向端增益是A2增益的1.25倍。AD627差动模式时的增益为1+R4/R3,额定值为5。AD627是通过电阻RG来设定增益的。

  增益G的设定可按下式确定:G=5+(200 kΩ/RG)可以看出:AD627的最小增益为5(RG=∞时),在其增益精确度为0.05%~0.7%时,应使用0.1%的外部增益设置电阻以避免全增益误差的较大衰减。另外,增益设置电阻RG的选择可以从标准设置电阻表中选取最接近的值。分并检单双电源供电的轨一轨仪用AD627比分立元器设计的具有较好的直流交流性能,并且可以方便的用外部电阻设定增益,因而是信号检测的较好选择。

  5 仪表RFI抑制电路设计

  微功耗仪表AD627易受RF整流的影响,需要更具鲁棒性的滤波器。AD627具有低输入级工作电流。简单地增加两个输入电阻器R1a和R1b的值或电容器C2的值,会以减小信号带宽为代价提供进一步的RF衰减。由于AD627仪表具有比通用IC(例如,AD620系列器件)更高的噪声(38 nV/Hz),所以可以使用较高的输入电阻器而不会严重降低电路的噪声性能。为了使用较高阻值的输入电阻器,设计出RC RFI电路,如图4所示。滤波器的带宽大约为200 Hz。在增益为100的条件下,1 Hz~20 MHz输入范围内施加1 Vp-p输入信号,RTI最大DC失调漂移大约为400 uV。在相同增益条件下,该电路的RF信号抑制能力(输出端的RF幅度/施加到输入端的RF幅度)优于61 dB。如图4所示:

  6 差分模拟多路复用器ADG707介绍

  ADG707是8 to 1差分输入模拟多路复用器,低导通电阻小到2.5 Ω,40 ns开关时间,低电压供电+1.8~+5.5 V,在视频音频开关,数据保持系统,通信系统等领域有非常广泛的应用。在本系统中使用3.3 V的电压供电,以符合整个系统的电源分配。由于本系统所使用的信号都是小信号能满足ADG707的工作要求。

  7 AD7656的电路配置

  电流型的信号是通过上述仪表调理电路转化为电压信号的,电压型信号可以直接通过运算(例如,AD8021)输入AD7656。本系统使用16 b ADC AD7656,能满足系统的高精度要求,同时系统中所采用的信号的更新频率都比较低,最大不超过20 kHz,而AD7656的采样频率为250 kb/s,显然能满足要求。AD7656可以进行6路同步采样对于扩展的个数提供了非常大的余地。AD7656的电路配置如图5所示:

  8 结语

  设计考虑在仪表的电路设计中,以下一些实际问题需要考虑:

  (1)AD627的增益是通过改变编程电阻RG实现的。为了使AD627的输出电压增益精确,应使用误差小于0.1% ~1%的电阻;同时,为了保持增益的高稳定性,避免高的增益漂移,应选择低温度系数的电阻。

  (2)由于AD627的输出电压为相对于基准端的电压,为获得较高的共模抑制比,REF引脚应连接于低阻抗点。

  (3)所有的仪表都能将通带外的高频信号整流;整流后,这些信号在输出中表现为直流失调误差。可以设计一个低通滤波器防止不必要的噪声到达差分输入端。在很多应用中,屏蔽电缆被用来减少噪声;为了在整个频率范围内得到最好的共模抑制比,屏蔽层必须正确连接。在本文中,结合本人的工作实际详细说明了基于仪表信号调理电路设计,并对容易遇到的问题进行了剖析,从工程的角度提供了一种行之有效的方案。


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