使用高精度儀表放大器進(jìn)行遙感

儀表放大器（IA）是傳感應(yīng)用的主力。在本文中，我將探討一些方法，當(dāng)傳感器與放大器物理分離時，利用這些放大器的平衡和出色的直流/低頻共模抑制（CMR）與電阻傳感器（例如應(yīng)變計）一起使用。我將介紹提高此類增益級抗擾度的方法，同時降低它們對電源變化和元件漂移的敏感性。還將展示測量的性能值和結(jié)果，以顯示精度范圍，以便對最終用戶應(yīng)用進(jìn)行快速評估。

細(xì)節(jié)

在傳感器方面，惠斯通電橋（圖1）的功能幾乎沒有競爭。電橋可以產(chǎn)生差分電壓，該差分電壓可預(yù)測地隨著物理參數(shù)的變化而變化，其附帶好處是提供溫度和時間漂移抗擾度。差分電壓位于大共模（CM）電壓之上。為了放大來自電橋的小信號，使用儀表放大器。IA的優(yōu)點在于，在橋元件負(fù)載很少或沒有負(fù)載的情況下，它可以檢測差分電壓并將CM電壓抑制到傳統(tǒng)運(yùn)算放大器幾乎無法實現(xiàn)的程度，因為需要高度的外部電阻匹配。

圖1.惠斯通電橋。

物理測量中涉及的電子設(shè)備通常遠(yuǎn)離被測量的物理參數(shù)。例如，應(yīng)變計測量，例如埋在卡車稱重站柏油路面下或橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)變計測量，不太可能位于用于讀取測量值的電子設(shè)備旁邊。例如，當(dāng)處理雙線四分之一橋應(yīng)變計（如Omega公司的SGT-1/350-TY43）時，將傳感器放置在遠(yuǎn)離傳感放大器的位置（如圖2所示），即使使用屏蔽雙絞線傳感器引線，也會產(chǎn)生不令人滿意的結(jié)果。

圖2.遠(yuǎn)程傳感器設(shè)置會受到環(huán)境噪聲拾取的影響。

問題在于，屏蔽雙絞線不能免受長電纜傳輸?shù)乃懈蓴_。在這種情況下，不能依靠儀器儀表的均衡輸入來消除CM電壓拾取。正負(fù)放大器輸入受長電纜拾取的干擾的影響不相同，并且輸入包含CMR無法消除的不相關(guān)信號。因此，如圖3所示，在電路輸出端發(fā)現(xiàn)顯著噪聲并不奇怪，這是由于對CM噪聲的這種不平衡響應(yīng)。

圖3.放大器輸出端的 120 Hz 拾音（0.1 V/格，2 ms/格）有麻煩的拾音。

從CM（直流和干擾）成功提取小橋差分電壓的一種解決方案是使用兩對屏蔽或非屏蔽雙絞線（UTP）。這樣，兩個IA輸入得到平衡，并受到相同的CM噪聲拾取。如圖 4 所示。LT6370等器件具有出色的低頻CMR （120 dB），可以可靠地抑制影響兩個IA輸入的因素。結(jié)果是在很遠(yuǎn)的距離上獲得干凈的輸出波形，即使在嘈雜的環(huán)境中也是如此。

圖4.使用兩根非屏蔽雙絞線進(jìn)行遙感。

擁有LT6370的所有CMR馬力，人們可以將這一想法更進(jìn)一步，通過消除一對接線來簡化配置，留下一個UTP。這個概念如圖5所示，其中U2的輸入保持平衡以獲得良好的CMR。請注意，UTP 引線看起來與 U2 相同，并且接地阻抗相同（R2、R4）。

圖5.用于遙感的單個 UTP。

對于圖5所示的元件值，將有大約1 mA電流流過傳感器R。傳感器.使用U1的RG1值，該級在G = 10 V/V下運(yùn)行，并提供R兩端電壓的10×副本傳感器U1的主要任務(wù)是消除UTP長導(dǎo)線上存在的干擾，僅響應(yīng)傳感器電壓，即傳感器電阻乘以流過它的~1 mA電流。LT6370 出色的低失調(diào)電壓和漂移以及出色的 CMR 使其成為不二之選。

惠斯通電橋的另一半由R5、R6和VR1組成，電流與電橋的傳感器部分幾乎相同。經(jīng)過一些低通濾波后，U1輸出端的傳感器電壓和VR1游標(biāo)上的基準(zhǔn)電壓都會達(dá)到U2的差分輸入端，以消除不需要的噪聲。U2設(shè)置為高增益（G = 1 + 24.2 kΩ/RG2 = 100 V/V），以放大其正輸入端的極小傳感器電壓與其負(fù)輸入端的固定低噪聲基準(zhǔn)電壓（源自LT6657-5基準(zhǔn)電壓源）的比較。U1輸出準(zhǔn)確表示施加到傳感器上的測量應(yīng)變，連接到感興趣的元件或材料上，以驅(qū)動ADC或其他類似的信號處理。

連接到U2的REF引腳（如果不需要失調(diào)調(diào)整，則可以接地）的可選DAC和OPA（U4，U5）可用于提供輸出失調(diào)調(diào)整和歸零。通過使用DAC，可以將U2輸出電壓轉(zhuǎn)換為適合所選ADC的所需基座或CM電平。例如，基準(zhǔn)電壓為5 V的ADC可以直接由U2驅(qū)動，其零輸出設(shè)置為2.5 V，使用DAC驅(qū)動U2 REF輸入。這樣，0 V至2.5 V ADC模擬輸入表示壓縮，2.5 V至5 V信號表示張力應(yīng)變。需要注意的是，驅(qū)動U2 REF引腳的器件（本例中為AD820）應(yīng)保持低阻抗，以消除任何可能的增益誤差。

以下是輸出電壓與傳感器電阻以及輸出電壓與被測應(yīng)變（ε）之間關(guān)系的函數(shù)表達(dá)式：

其中 ΔR傳感器是應(yīng)變引起的傳感器電阻變化

哪里：

L 指傳感器長度

ε是指被測應(yīng)變的量

對于所選的傳感器：

R傳感器= 350 Ω

GF= 2

導(dǎo)致應(yīng)變 （ε）：

LT6370具有極低的增益誤差（G = 10 V/V時為<0.084%）和低輸入失調(diào)電壓（在整個溫度范圍內(nèi)指定最大值為<50 μV），保證U2具有傳感器電壓的真實復(fù)制品，減去UTP拾取的干擾，以便與U2反相輸入端產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。LT6657-5 可創(chuàng)建一個穩(wěn)定的、低噪聲和低漂移的基準(zhǔn)電壓源，從而使整個電路不受電源電壓變化的影響。特別重要的是LT6657-5的低1/f噪聲，由于電路中的大增益，這可能會產(chǎn)生重大貢獻(xiàn)。

將簡單的RC低通濾波器（R9、C2和R10、C3）設(shè)置為U2每個輸入端的滾降頻率約為10 Hz，可以通過限制帶寬來降低輸出噪聲。如圖6所示，低（<10 Hz）LT6370 1/f噪聲轉(zhuǎn)折頻率降低了1/f噪聲的影響，從而提供了優(yōu)勢。此外，電流噪聲密度圖顯示，通過利用輸入端的相關(guān)噪聲分量，保持兩個輸入阻抗平衡以實現(xiàn)最低的電流噪聲影響要好得多。因此，R10的值減小到3.74 kΩ，以匹配4.75 kΩ的R9阻抗，因為VR1游標(biāo)具有等效阻抗。

圖6.LT6370 輸入折合到電流 / 電壓噪聲密度。

總結(jié)

將橋式傳感器放置在距離信號處理放大器一定距離的地方需要一個儀表放大器，該儀表放大器可以干凈地提取測量的差分電壓。LT6370 儀表放大器的屬性使其能夠通過長電纜成功處理來自遠(yuǎn)距離傳感器的信號。LT6370 的制造工藝在生產(chǎn)測試期間調(diào)用片上加熱器以保證過熱漂移值，進(jìn)一步增強(qiáng)了 LT6370 對遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用的適用性，并延長了難以維修的安裝中的使用壽命和產(chǎn)品壽命。

審核編輯：郭婷