基于仪表放大器的传感器信号采集电路设计

　　1 引言

　　传感器及其相关电路被用来测量各种不同的物理特性，例如温度、力、压力、流量、位置、光强等。这些特性对传感器起激励的作用。传感器的输出经过调理和处理，以对物理特性提供相应的测量。

　　数字信号处理是利用计算机或专用的处理设备，以数值计算的方式对信号进行采集、变换、估计与识别等加工处理，从而达到提取信息和便于应用的目的。仪表放大器具有非常优越的特性，能将传感器非常微弱的信号不失真的放大以便于信号采集。本文介绍在一个智能隔振系统中，传感器数据采集系统具有非常多的传感器，而且信号类型都有很大的差别的情况下如何使用仪表放大器将传感器信号进行调理以符合模数转换器件的工作范围。

　　2 仪表放大器在传感器信号调理电路中的应用

　　仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器，他具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。差分放大器和仪表放大器所采用的基础部件(运算放大器)基本相同，他们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定；而差分放大器和仪表放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑制比(CMR)。他们通常不需要外部反馈网络。

　　仪表放大器是一种具有差分输入和其输出相对于参考端为单端输出的闭环增益单元。输入阻抗呈现为对称阻抗且具有大的数值(通常为109或更大)。与由接在反向输入端和输出端之间的外部电阻决定的闭环增益运算放大器不同，仪表放大器使用了一个与其信号输入端隔离的内部反馈电阻网络。利用加到两个差分输入端的输入信号，增益或是从内部预置，或是通过也与信号输入端隔离的内部或外部增益电阻器由用户设置。典型仪表放大器的增益设置范围为1～1000。

　　仪表放大器的特点：

　　(1)高共模抑制比

　　共模抑制比(CMRR)则是差模增益(Ad)与共模增益(Ac)之比，即：CMRR=20lg(Ad/Ac)dB；仪表放大器具有很高的共模抑制比，CMRR典型值为70～100 dB以上。

　　(2)高输入阻抗

　　要求仪表放大器必须具有极高的输入阻抗，仪表放大器的同相和反相输入端的阻抗都很高而且相互十分平衡，其典型值为109～1012 Ω低噪声由于仪表放大器必须能够处理非常低的输入电压，因此仪表放大器不能把自身的噪声加到信号上，在1 kHz条件下，折合到输入端的输入噪声要求小于10 nV/Hz。

　　(3)低线性误差

　　输入失调和比例系数误差能通过外部的调整来修正，但是线性误差是器件固有缺陷，他不能由外部调整来消除。一个高质量的仪表放大器典型的线性误差为0.01%，有的甚至低于0.0001%。

　　(4)低失调电压和失调电压漂移

　　仪表放大器的失调漂移也由输入和输出两部分组成，输入和输出失调电压典型值分别为100 uV和2 mV。

　　(5)低输入偏置电流和失调电流误差

　　双极型输入运算放大器的基极电流，FET型输入运算放大器的栅极电流，这个偏置电流流过不平衡的信号源电阻将产生一个失调误差。双极型输入仪表放大器的偏置电流典型值为1 nA~50 pA,而FET输入的仪表放大器在常温下的偏置电流典型值为50 pA。

　　(6)充裕的带宽

　　仪表放大器为特定的应用提供了足够的带宽，典型的单位增益小信号带宽在500 kHz~4 MHz之间。具有“检测”端和“参考”端仪表放大器的独特之处还在于带有“检测”端和“参考”端，允许远距离检测输出电压而内部电阻压降和地线压降(IR)的影响可减至最小。

　　为了有效地工作，要求仪表放大器不仅能放大微伏级信号，而且还能抑制其输入端的共模信号。这就要求仪表放大器具有很大的共模抑制(CMR)：典型的CMR值为70～100 dB。当增益提高时，CMR通常还能获得改善。

　　3 电流型传感器数据采集系统结构图

　　图1示出4～20 mA电流型传感器的信号如何连接到16 bit Simultaneous ADC AD7656。4～20 mA传感器的信号是单端的。这一开始就提出了需要1只简单的分流电阻器以便把电流转换成电压加到ADC的高阻抗模拟输入端。然而，回路(到传感器)中的任何线路电阻都会增加与电流相关的失调误差。

　　因此必须差分地检测该电流。在本系统中，1只24.9 Ω的分流电阻器在AD627的输入端产生介于100 mV(对应4 mA输入)与500 mV(对应20 mA 输入)之间的最大差分输入电压 在不存在增益电阻器的情况下，AD627把该500 mV输入电压放大5倍达到2.5 V，即ADC的满度输入电压。4 mA的零点电流对应于代码819，1 LSB对应0.61 mV。整个系统逻辑都通过CPLD进行控制并与DSP进行数据交换。