仪表放大器的传感器信号采集电路设计.docVIP

基于仪表放大器的传感器信号采集电路设计 1 引言  2 仪表放大器在传感器信号调理电路中的应用 (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。 (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。  (1)高共模抑制比 (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 109～1012 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 0.01%，有的甚至低于0.0001%。 (4)低失调电压和失调电压漂移 100 uV和2 mV。 (5)低输入偏置电流和失调电流误差 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 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。 (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 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 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 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。 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