为应变计应用选择合适的放大器

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。本文将主要讨论应变计应用中所需的信号调理电路，特别是可能会影响对要与应变计一起使用的一个或多个放大器进行选择的参数。

应变计简介

在讨论放大器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，这样信号就不会使放大器或ADC饱和。在选择增益级放大器时必须考虑以下几个方面。

首先，由于需要较高的增益，因此放大器的失调电压变得非常重要。由放大器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倍的放大器会在放大器的输出端产生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，放大器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放大器，例如MCP606。

第二，在仍能保持性能的同时，放大器必须具有足够大的开环增益以提供所需的放大倍数。典型放大器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。大部分通用放大器的开环增益范围为100dB至120dB。这类放大器可处理上述的为500倍的增益，但是可能会限制系统的整体性能。

例如，假设放大器的开环增益为120dB，并且带宽足够大，允许放大器在增益为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，所以放大器的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

这意味着放大器是线性的，斜率大约为1/2000，或大约11位。要避免这种限制，系统设计人员可选择具有更大开环增益的放大器。尽管有这种放大器，但是它们的使用范围不广，而且性价比较低。另一种解决方案是使用多个增益级以获得所需的总增益，例如传统的两级或三级放大器仪表拓扑。也许更好的解决方案是使用仪表放大器，这种放大器是专为提供高增益和良好的性能而设计的，通常情况下，相比分立式仪表放大器电路，具有更好的电压失调和漂移性能。

放大器噪声

在评估与应变计一起使用的放大器时必须考虑的另一个重要参数为放大器噪声。需要重点指出的是，放大器的电压噪声与输入有关，所以电路中的任何增益或衰减也会影响放大器噪声。而且，要记住放大器的噪声在频率范围内可能不是恒定的，特别是在低频时，1/f的噪声可能成为主要的噪声源。因为输入信号近似于直流信号，所以此低频噪声在应变计应用中起主要作用。

输入偏置电流

输入偏置电流是信号调理应用中第三个重要的放大器参数。偏置电流是流向放大器输入端的电流，用于偏置输入晶体管。此电流的幅度从pA级到μA级不等，主要取决于放大器输入电路的架构。在将高阻抗传感器连接到放大器输入端时，此参数变得极其重要。因为在偏置电流流经此高阻抗时，阻抗两端会有压降，从而产生电压误差。对于这些应用，需要一个低偏置电流。

应变计的标称电阻值范围为几百欧姆到一千欧姆。流经桥式传感器的电流与放大器的偏置电流相比较大。除非在放大器前面添加一个提供滤波或ESD保护的电路引入了新的阻抗，否则通常情况下，偏置电流不会起到很大的作用。

结论

应变计广泛应用于各种应用中，从电子秤到测量钢梁上的扭矩应有尽有。每个应用都有自己的设计要求和难度。在选择提供信号调理功能的放大器时，必须确保该放大器能够提供所需的增益且保持线性度在可接受范围内。噪声也是一个重要参数，必须检测所需频带内的噪声。最后，放大器的输入偏置电流也会影响系统性能，对于高阻抗输入更是如此。