讓儀器成為設(shè)計(jì)時(shí)的得力助手

工程師通過儀器能夠查看和了解不同電子、機(jī)械部分或整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的情況。這些設(shè)備通過獲取、分析和顯示數(shù)據(jù)，讓工程師可以監(jiān)視和控制機(jī)械并進(jìn)行所有必要的更正。在測(cè)試或原型制作過程中，儀器可幫助改進(jìn)電路，讓設(shè)計(jì)更新穎、更出色。

由于需要具有豐富功能和高可用性的高性能儀器來滿足各種應(yīng)用面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，我們將會(huì)介紹這些儀器為滿足客戶需求而需要具備的特性，然后研究儀表放大器這個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)組件的重要屬性。

儀器不同，要求不同

不同的市場(chǎng)對(duì)儀器有不同的要求，軍事市場(chǎng)更看重可靠性，消費(fèi)市場(chǎng)更看重成本，醫(yī)療市場(chǎng)更看重安全性，而汽車市場(chǎng)則是綜合看重上述所有要素。盡管如此，仍然有必要指出，為滿足未來需求而設(shè)計(jì)的新儀器通常必須具有以下一項(xiàng)或多項(xiàng)特征：

速度更快：現(xiàn)代儀器面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是要在無損情況下收集大量信號(hào)，同時(shí)高效、高速地提取這些信號(hào)中隱含的信息。更快的測(cè)量速度也意味著必須要有足夠的空間來存放在內(nèi)存中收集的數(shù)據(jù)。這里最重要的參數(shù)之一是采樣率，它與設(shè)備的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 采樣信號(hào)的速度有關(guān)。

尺寸更小：設(shè)備小型化是儀器市場(chǎng)的新興趨勢(shì)之一。越來越多的功能被集成到越來越小的設(shè)計(jì)中，并且不影響測(cè)量精度。用于實(shí)驗(yàn)室基準(zhǔn)測(cè)試的高通道數(shù)平臺(tái)需要更小的外形尺寸。小型化儀器更容易嵌入到大型工業(yè)系統(tǒng)中。為醫(yī)療應(yīng)用而設(shè)計(jì)的儀器也必須很小，以減小患者佩戴設(shè)備的物理尺寸和重量。

功耗更低：在不削減功能或增加放大器需求的情況下，與前代產(chǎn)品相比，新設(shè)備有望降低功耗。

對(duì)噪聲和物理或電干擾的抵抗力更強(qiáng)：要求儀器在可能有噪聲、振動(dòng)和物理沖擊的環(huán)境中工作，給設(shè)計(jì)人員帶來了挑戰(zhàn)。在工業(yè)應(yīng)用中，模擬輸入模塊經(jīng)常需要在具有極端溫度和濕度，甚至可能有腐蝕性或爆炸性化學(xué)品的惡劣環(huán)境中獲取和處理遠(yuǎn)程傳感器傳來的信號(hào)。如今，便攜式儀器幾乎強(qiáng)制要求有一個(gè)聯(lián)網(wǎng)的用戶界面 (UI) ，其在工作期間很可能會(huì)遭受極端溫度以及濕度和物理應(yīng)力的影響。

提高系統(tǒng)可靠性并減少維護(hù)停機(jī)時(shí)間：系統(tǒng)可靠性是最重要的，因?yàn)橛捎谠O(shè)備故障而造成的停機(jī)成本可能很高。例如，在海上作業(yè)的鉆機(jī)上的電子組件發(fā)生故障，可能需要一天以上的時(shí)間才能取回和更換，在此期間，成本昂貴的深水鉆機(jī)將無法工作。

盡量小的轉(zhuǎn)換誤差：比如低量化噪聲。ADC的模擬輸入是具有無限可能狀態(tài)的連續(xù)信號(hào)， 而其數(shù)字輸出則是具有不同狀態(tài)的離散函數(shù)，其狀態(tài)取決于設(shè)備的分辨率。在從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換中，由輸入端的不同電壓表示的模擬信號(hào)部分可以在輸出端用相同的數(shù)字代碼表示。結(jié)果，一些信息丟失并且失真已經(jīng)引入到信號(hào)中， 這被稱為量化噪聲。

更高的準(zhǔn)確度和足夠的帶寬：準(zhǔn)確度表示儀器忠實(shí)地顯示被測(cè)信號(hào)值的能力。帶寬表示輸入信號(hào)能夠以最小的振幅損失通過模擬前端的頻率范圍。

高效的散熱設(shè)計(jì)：不得將散熱元件放在對(duì)熱敏感的組件附近，并且整個(gè)設(shè)備的氣流必須充足。

一旦確定了儀器的工作條件和性能指標(biāo)，就必須在框圖中標(biāo)識(shí)該設(shè)備的功能組件。必須選擇合適的傳感器、信號(hào)處理電路、數(shù)字和無源組件，以及電源。要滿足這些需求，需要高性能組件的完整物料清單 (BOM)，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 等。ADC用于將模擬信號(hào)（如溫度傳感器、無線電接收器或攝像頭的輸出）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。而DAC用于將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)。

許多應(yīng)用都需要進(jìn)行大量的信號(hào)調(diào)節(jié)，以減少噪聲，增加動(dòng)態(tài)范圍并補(bǔ)償傳感器的非線性，儀器才能有效、準(zhǔn)確地測(cè)量信號(hào)。例如，醫(yī)療儀器模擬前端中的信號(hào)調(diào)節(jié)要求在存在較大差分直流電勢(shì)時(shí)檢測(cè)小信號(hào)，這對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。比如心電圖 (ECG)，采集和記錄心臟的電活動(dòng)（圖1）。構(gòu)成心臟細(xì)胞外殼的每個(gè)細(xì)胞膜都有一個(gè)相關(guān)的電荷，該電荷在每次心跳期間都會(huì)去極化。這些脈沖在皮膚上表現(xiàn)為微小的電信號(hào)，可被ECG檢測(cè)到，轉(zhuǎn)換為波形并放大。

圖1：ECG設(shè)備的框圖（圖源：Texas Instruments）

這個(gè)過程中的一個(gè)關(guān)鍵元件 - 儀表放大器（或稱in-amp），是一種特殊類型的放大器。它通常是測(cè)量前端的第一個(gè)組件，因此其性能對(duì)整個(gè)儀器的性能至關(guān)重要。

一般來說，從傳感器獲得的信號(hào)振幅非常小，因此必須先放大，然后才能進(jìn)行處理和顯示。簡單來說，儀表放大器的功能就是從噪聲環(huán)境中的壓力或溫度傳感器以及其他信號(hào)源中提取感興趣的小信號(hào)（大共模信號(hào)之上的差分信號(hào)），并放大兩個(gè)輸入信號(hào)電壓之間的差值。

儀表放大器廣泛用于醫(yī)療設(shè)備，例如ECG和EEG監(jiān)護(hù)儀，血壓監(jiān)護(hù)儀和除顫器?？赡苁褂脙x表放大器的其他儀器應(yīng)用示例包括音頻（例如，作為麥克風(fēng)前置放大器）、電纜射頻 (RF) 系統(tǒng)中的高頻信號(hào)放大，以及用于視頻成像的高速信號(hào)調(diào)節(jié)。 通過測(cè)量三相交流電機(jī)的電壓、電流和相位關(guān)系，儀表放大器還可用于電機(jī)監(jiān)控（監(jiān)測(cè)和控制電機(jī)速度、轉(zhuǎn)矩等）。

儀表放大器和運(yùn)算放大器之間的主要區(qū)別在于，運(yùn)算放大器是一種開環(huán)設(shè)備， 而儀表放大器則帶有一個(gè)預(yù)設(shè)的內(nèi)部反饋電阻器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)與其輸入端子隔離。與運(yùn)算放大器一樣，它的輸出阻抗也非常低。
選擇適合特定電路設(shè)計(jì)的儀表放大器需要清楚地了解其特性以及如何在產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中體現(xiàn)它們。 定義高品質(zhì)儀表放大器的幾個(gè)屬性包括：

高共模抑制比 (CMRR)：這是儀表放大器的基本品質(zhì)因數(shù)。由于理想的儀表放大器只檢測(cè)其輸入之間的電壓差，所以任何共模信號(hào)（兩個(gè)輸入的電位相等）在輸入級(jí)都會(huì)被拒絕，并且不放大。事實(shí)上，儀表放大器對(duì)共模信號(hào)的抑制程度是通過CMRR測(cè)量的，CMRR就是儀表放大器的差分增益除以共模增益。 儀表放大器的CMRR至少應(yīng)在需要抑制的輸入頻率范圍內(nèi)較高，總體而言，CMRR值越大越好。

低噪聲：因?yàn)閮x表放大器必須能夠處理非常低的輸入電壓，所以儀表放大器一定不能在信號(hào)噪聲中增加自己的噪聲。顯然，噪聲值越小越好。儀表放大器的噪聲性能通常隨增益而提高，因此應(yīng)在適當(dāng)?shù)脑鲆嫦卤容^儀表放大器。

低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移：與運(yùn)算放大器一樣，儀表放大器必須具有低失調(diào)電壓。電壓偏移是誤差的來源，并取決于放大器的拓?fù)?；它的范圍可以從幾微伏到幾毫伏。放大器的運(yùn)行會(huì)隨溫度而變化。即便是高精度放大器，也容易受到溫度漂移的影響。雖然可以通過外部調(diào)整來抵消失調(diào)電壓，但無法調(diào)整失調(diào)電壓漂移。與初始失調(diào)一樣，失調(diào)漂移具有兩個(gè)分量，儀表放大器的輸入和輸出部分各自貢獻(xiàn)了誤差的一部分。隨著增益的增加，輸入級(jí)的失調(diào)漂移可能成為失調(diào)誤差的主要來源。

低增益誤差：通常以最大百分比表示，代表特定放大器距離理想增益方程的最大偏差。儀表放大器的增益可以由制造商預(yù)設(shè)，也可以由用戶使用外部增益電阻器設(shè)置，或者通過儀表放大器的某些引腳操控內(nèi)部電阻器來設(shè)置。 電阻器網(wǎng)絡(luò)中電阻器值和溫度梯度的變化都可能導(dǎo)致增益誤差。

低非線性：盡管可以校正輸入失調(diào)誤差，但非線性是固有的性能限制，不能通過外部調(diào)整來消除。非線性通常用滿量程的百分比來表示，制造商在正負(fù)滿量程電壓和零時(shí)測(cè)量儀表放大器的誤差。低非線性必須由制造商設(shè)計(jì)。

Analog Devices的AD8428儀表放大器旨在精確測(cè)量微小的高速信號(hào)。它具有業(yè)界領(lǐng)先的增益精度 (0.2％)、噪聲和帶寬。ADI AD8428（圖2）具有固定增益2000，是業(yè)界最快的儀表放大器之一。AD8428的高CMRR（最小值為130 dB），可防止有害信號(hào)破壞采集數(shù)據(jù)。器件的引腳排列旨在避免寄生電容失配，該失配會(huì)在高頻下降低CMRR。據(jù)說該ADI器件非常適合用于傳感器接口、醫(yī)療儀器和患者監(jiān)護(hù)應(yīng)用。

圖2：AD8428的功能塊（圖源：Analog Devices）

Texas Instruments INA826精密儀表放大器具有極低的功耗，并能在很寬的單電源或雙電源范圍內(nèi)工作。從負(fù)電源電壓到1V正電源電壓，整個(gè)輸入共模范圍內(nèi)的共模抑制比均超過84dB。TI INA826使用軌到軌輸出，非常適合從2.7V單電源以及高達(dá)±18V的雙電源的低電壓操作。TI INA826儀表放大器設(shè)計(jì)用于多種應(yīng)用，包括工業(yè)過程控制、斷路器、電池測(cè)試和ECG放大器。

結(jié)論

總而言之，為了應(yīng)對(duì)市場(chǎng)上不同行業(yè)提出的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，電子儀器和測(cè)量設(shè)計(jì)正在突破性能、功率和集成功能的界限。本文介紹了現(xiàn)代儀器滿足客戶期望所需的特性，并研究了儀表放大器的重要特性。貿(mào)澤電子公司擁有大量的儀表放大器和其他部件及設(shè)計(jì)資源，可幫助工程師采集、監(jiān)測(cè)、控制或測(cè)量不同信號(hào)、過程和協(xié)議。

審核編輯：郭婷