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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 109 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 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 100dB ～ 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 109 1012Ω 输入端的阻抗都很高而且相互十分平衡，其典型值为 ～ 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1kHz条件下，折合到输入端的输入噪声要求小于10nV/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100uV和2mV。 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 1 nA~50 pA, FET 表放大器的偏 置电流典型值为 而 输入的仪表放大器在常温下 的偏置电流典型值为50pA。 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500kHz~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