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为应变计应用选择合适的放大器(08-100)

—— Selecting the proper amplifier for strain gauge applications
作者:Kevin Tretter Microchip Technology Inc.高级产品市场营销工程师模拟和接口产品部时间:2009-02-25来源:电子产品世界

  数据采集是对温度、压力、湿度、应变以及各种其他物理现象进行的极其多样化的综合性测量。此外,这些测量可能需要在恶劣条件下进行,例如极端温度、离心力和电子噪声环境。系统设计人员不但必须要用心地为他们的应用选择正确的传感器,还必须努力地设计出合适的信号调理电路来处理这些问题。本文将主要讨论应用中所需的信号调理电路,特别是可能会影响对要与一起使用的一个或多个进行选择的参数。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/91678.htm

  简介

  在讨论和信号调理电路之前,有必要快速介绍一下应变计。顾名思义,“应变”就是由于外力作用所产生的改变。应变计使用电阻来表示由外力引起的应变大小。应变计有多种不同的类型,最常见的就是金属应变计。这种类型的应变计由一根金属丝或一小片金属箔组成。在受到外力时,应变计会发生形变(正向或反向),从而导致应变计的电阻也随之变化。电阻的这种变化是可以测量的,从而反映出所施加外力的大小。

  那么,实际上应如何测量应变呢?由于惠斯通电桥电路的灵敏度极佳,所以通常可在其中放置一个或多个应变计。用于应变计应用的惠斯通电桥由按照菱形模式布置的四个元件组成,每个桥臂都有一个电阻元件(应变计或固定电阻)。然后向该电桥施加一个激励电压,并测量菱形两个相对端点之间的输出电压。四分之一桥电仅包括一个可变电阻元件—应变计。半桥则有两个可变电阻元件,而全桥中的所有四个元件均为可变电阻元件—在此例中,为应变计。具有多个应变计的好处就是增加了灵敏度。在所有其他配置相同的情况下,半桥配置的灵敏度是四分之一电桥的两倍,而全桥的灵敏度是四分之一电桥的四倍。

  信号调理

  即使在惠斯通电桥配置中使用了多个应变计,输出电压的总体变化仍然相对较小,通常在毫伏范围内。由于信号幅度较小,所以在通过模数转换器(ADC)将电压转换成数字信号之前,通常需要一个增益级。可能还必须滤除模拟输入信号中的特定噪声源。噪声源的一些示例包括电源线嘈杂声(50 Hz或60 Hz)、机械共振或外部电子干扰。最后,任何信号调理电路都不得向系统中添加大噪声,否则来自惠斯通电桥的较小输出电压就会丢失。总之,信号调理电路必须有足够高的增益,能提供适当的滤波并具有较低的噪声。

  失调电压和开环增益

  根据桥式应变计的输出摆幅和ADC的满量程输入,模拟信号可能需要放大500倍或更高倍数。此外,该电路必须提供足够的裕量,这样信号就不会使或ADC饱和。在选择增益级时必须考虑以下几个方面。

  首先,由于需要较高的增益,因此的失调电压变得非常重要。由产生的失调电压将与增益相乘。例如,一个失调电压为1mV而增益配置为500倍的会在的输出端产生0.5V的误差电压。对于一个在满量程时产生10mV输出电压的应变计桥,的这一失调误差可导致出现10%的测量误差。因此,需要一个低失调的精密,例如MCP606。

  第二,在仍能保持性能的同时,必须具有足够大的开环增益以提供所需的放大倍数。典型的开环增益在某一频率范围内是恒定的,然后以每十倍频20dB的速度开始下降。大部分通用的开环增益范围为100dB至120dB。这类可处理上述的为500倍的增益,但是可能会限制系统的整体性能。

  例如,假设的开环增益为120dB,并且带宽足够大,允许在增益为500倍所对应的频率下正常工作。500倍的增益大约相当于54 dB,所以的54dB开环增益用于提供增益。剩余的66dB为开环增益裕度,用于确保线性度,如图1所示。

 

  图1 开环增益—频率关系曲线


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关键词: 应变计 放大器

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