引言
應(yīng)變片式傳感器應(yīng)用十分廣泛，它采用電橋式電路結(jié)構(gòu)，以提高輸出靈敏度。但一個微應(yīng)變橋路輸出只有2 mV左右，即使在滿載情況下，應(yīng)變片的最大輸出也只有數(shù)十mV，這就要求前置測量放大電路具有高增益、高精度、低噪聲、低漂移等特點。一般集成運算放大器都是利用參數(shù)補償原理的直接耦合或者阻容耦合方式，它們的初始失調(diào)參數(shù)并不等于零，而是用調(diào)零電位器或精密修正技術(shù)進(jìn)行失調(diào)參數(shù)的補償。這使得直接耦合放大器在放大信號的同時也放大了溫漂，而阻容耦合放大器雖能抑制溫漂，但不能用來放大微弱的直流信號或緩慢變化的信號，它會將這種信號作為溫漂抑制掉。使用自動穩(wěn)零技術(shù)的精密儀表放大器AD8230就能很好地解決抑制溫漂的同時又放大微弱直流信號這個問題，以滿足精密應(yīng)變測試儀的設(shè)計要求。
AD8230的工作原理與特性
AD8230 是ADI公司的一款利用動態(tài)校零技術(shù)，采用超小型SOIC工藝制作的穩(wěn)零式精密儀表放大器。與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AD62x系列儀表放大器相比，AD8230有許多關(guān)鍵的性能提高：具有109W的高輸入阻抗，能有效地抑制信號源與傳輸網(wǎng)絡(luò)阻抗不對稱引起的誤差；在-40℃~+125℃的工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓為10mV、失調(diào)電壓溫度漂移只有50nV/℃，共模抑制比高達(dá)140dB，能有效地抑制共模干擾引入的誤差，提高系統(tǒng)信噪比和對溫度影響的抵抗能力；輸入/輸出擺幅可達(dá)電源限（-VS~+VS），以適應(yīng)信號源電平的較寬范圍；具有較高的增益及較寬的增益調(diào)節(jié)范圍（G=2~1000），其典型增益誤差為± 0.01%，增益非線形誤差僅為20ppm，有效地保障了系統(tǒng)的測量精度。
放大器增益由兩個外部電阻器設(shè)置，以實現(xiàn)溫度系數(shù)（TC）匹配。
AD8230 由參考端電位確定零輸出電壓，當(dāng)負(fù)載與系統(tǒng)地不明確共地時特別有用，它提供了一種對輸出引入精密補償?shù)姆椒?，利用參考端還可提供一個虛地電壓放大雙極性信號。若AD8230相對地輸出，則參考端應(yīng)接地，為了使接地回路阻抗最小，達(dá)到最佳的CMR，參考端應(yīng)接到一個低阻抗接點，建議使用接地平面。
自動調(diào)零（或自動穩(wěn)零）是一種動態(tài)地抵消失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移的技術(shù)，它能將相對輸入端的失調(diào)電壓降低到mV級，將失調(diào)電壓漂移降低到nV/℃級。動態(tài)抵消失調(diào)的另一優(yōu)點是可降低低頻噪聲，特別是1/f噪聲。自動穩(wěn)零運算放大器的基本指導(dǎo)思想是：如果能將運放兩個輸入端短路時或加共模輸入信號時的輸出電壓 (誤差電壓)先用電容器寄存起來(簡稱采樣)，再與運放正常工作時的輸出電壓相減(簡稱校零)，則可有效地減小失調(diào)電壓、失調(diào)電流及溫度變化和電源電壓波動所引起的漂移，也可有效地抑制共模信號。
AD8230具有自穩(wěn)零電路結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部信號路徑由一個有源差分采樣保持級（前置放大器）和一個差分放大級（增益放大器）組成。兩級放大器都能實現(xiàn)自穩(wěn)零，使失調(diào)和漂移減少到最低，全差分電路結(jié)構(gòu)增強了對寄生噪聲的抵抗能力。自動穩(wěn)零基本原理如圖 1所示，這里以兩個相繼時鐘相位A、B分別描述其內(nèi)部工作順序。
電路通過電子開關(guān)來切換兩個階段循環(huán)工作：在時鐘上半周期，電路處于采樣階段，采樣電容器CSAMPLE連接到信號輸入端，該輸入信號的差分電壓VDIFF被存儲在CSAMPLE上，共模電壓被抑制。在此期間，增益放大器與前置放大器斷開，以使其輸出保持在以前采樣的輸入信號幅度；在時鐘下半周期，電路處于動態(tài)校零和放大階段，CSAMPLE上采集的差分信號被提供給增益放大器，刷新存儲在CHOLD上的電壓值，并由增益放大器放大。當(dāng)CSAMPLE連接到前置放大器的輸出端時，前置放大器的共模輸出電壓被下拉到參考電位VREF。用這種方法，使CSAMPLE與前置放大器具有相同的共模電壓。
精密應(yīng)變測試儀的實現(xiàn)
應(yīng)變測試儀主要由橋壓產(chǎn)生、射頻干擾（RFI）濾波、共模抑制、信號 放大、低通濾波和緩沖驅(qū)動等電路構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖1 自動穩(wěn)零基本原理
圖2 應(yīng)變測試儀結(jié)構(gòu)框圖
在實際應(yīng)用環(huán)境中，不斷增加的射頻干擾，被放大器整流后可能表現(xiàn)為難以消除的直流失調(diào)誤差，同時考慮到信號傳輸線路長、強度弱的情況，在儀表放大器前設(shè)置一個差分低通濾波器，用以盡可能多地從輸入端去除RF能量，保持每個輸入端與地之間的AC信號平衡，以及在測量帶寬內(nèi)保持足夠高的輸入阻抗，以避免降低對輸入信號源的帶載能力。
應(yīng)變傳感器工作電壓由橋壓產(chǎn)生電路供給，其穩(wěn)定性直接影響輸入信號的測量精度。為使測量誤差及輸入信號漂移最小，橋壓電路應(yīng)選用低溫度系數(shù)的精密基準(zhǔn)穩(wěn)壓芯片，如LM399、LM3999等。它們采用次表面隱埋技術(shù)，具有長期穩(wěn)定性好、噪聲電壓低等優(yōu)點，其優(yōu)異的恒溫特性αT＝(0.3~2)×10-6/℃，可有效消除溫度變化對基準(zhǔn)電壓的影響。
系統(tǒng)增加了共模抑制電路，可進(jìn)一步減小系統(tǒng)噪聲和直流零點漂移誤差，提高測試精度；在儀表放大器輸出端設(shè)置一個低通濾波器以濾除高頻分量，降低低頻噪聲；增加緩沖驅(qū)動電路，加大放大器的帶載能力，在放大器與負(fù)載相距較遠(yuǎn)時，效果明顯。該系統(tǒng)解決了以往應(yīng)變儀中頻帶不足、精度不高等難題，是一種新型的精密測試儀器。
AD8230在應(yīng)變測試儀中的應(yīng)用
AD8230在精密應(yīng)變測試儀中主要用于共模抑制、信號放大、自動穩(wěn)零和輸出緩沖等。
共模抑制電路
因應(yīng)變電橋輸出電壓很弱，信號傳輸大多采用屏蔽電纜。在遠(yuǎn)距離測量時，信號線與電纜屏蔽層之間存在不容忽視的分布電容，若將屏蔽層直接接地，則當(dāng)兩個輸入端各自對地電容不等時，將使系統(tǒng)的共模抑制能力下降，影響后級測量精度。圖3采用一種積極的數(shù)據(jù)保護(hù)措施，將屏蔽層適當(dāng)驅(qū)動后接于共模信號相等的電位點上，改善AC CMR，從而不產(chǎn)生泄漏電流，提高了信噪比。
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圖3 改善共模抑制電路
圖4 輸出濾波，緩沖電路
輸出濾波、驅(qū)動緩沖電路
AD8230放大器驅(qū)動負(fù)載能力較小，僅可驅(qū)動10kW以上負(fù)載阻抗。若負(fù)載阻抗小于10kW，其輸出端應(yīng)再加一級精密驅(qū)動緩沖器。根據(jù)應(yīng)用頻段，在輸出端加設(shè)一個低通濾波器以濾除高頻分量，推薦選用UAF42AU。它集濾波、驅(qū)動為一體，通過改變引腳間連接，可靈活實現(xiàn)低通、高通、帶通或帶阻濾波。當(dāng)驅(qū)動負(fù)載為2kW時，UAF42AU輸出擺幅為±11.5V，可滿足測試儀在各領(lǐng)域的應(yīng)用要求。輸出緩沖電路如圖4所示。
結(jié)語
AD8230可取代分立器件構(gòu)成的儀表放大器，具有線性度好、溫度穩(wěn)定性高、體積小、可靠性高等特點，可用作低功耗醫(yī)用儀表放大器、熱電偶放大器、電橋應(yīng)變測量放大器及用于傳感器接口、工業(yè)過程控制和低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。由其構(gòu)成的應(yīng)變測試儀被廣泛應(yīng)用于物料計量稱、傳感器儀表等，實踐表明，該測試儀最大動態(tài)測量誤差 ≤1.53‰