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。
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         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。

　　4 低功耗仪表放大器AD627特点及性能
　　

　　AD627是一种低功耗的仪表放大器。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采用真正的仪用放大器结构，他有两个反馈环。其基本结构和典型的“双运放”仪用放大器类似，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放大器AD627比分立元器设计的放大器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，因而是传感器信号检测的较好选择。

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       5 仪表放大器RFI抑制电路设计 　　

        微功耗仪表放大器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仪表放大器具有比通用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传感器信号都是小信号能满足ADG707的工作要求。
　　　　　　　　　　　　　　　
        7 AD7656的电路配置
　　

        电流型传感器的信号是通过上述仪表放大器调理电路转化为电压信号的，电压型传感器信号可以直接通过运算放大器(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传感器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传感器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
　　

        设计考虑在仪表放大器的电路设计中，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)所有的仪表放大器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放大器的传感器信号调理电路设计，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。