基于儀表放大器的傳感器信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

　　4 低功耗儀表放大器AD627特點(diǎn)及性能

　　AD627是一種低功耗的儀表放大器。他采用單、雙兩種電源供電，并可實(shí)現(xiàn)軌-軌輸出。AD627在85 uA的電流下即可正常工作，并具有極佳的交流和直流特性。AD627采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8腳封裝，引腳排列圖如圖2所示。

　　AD627的最大特點(diǎn)是允許用戶(hù)使用一個(gè)外部電阻器來(lái)設(shè)定增益。AD627的失調(diào)電壓、失調(diào)漂移、增益誤差和增益漂移均較低，因此，AD627可將用戶(hù)系統(tǒng)的直流誤差降到最低。由于有較好的高頻共模抑制比，AD627可保持最小的高頻誤差，也正是因?yàn)锳D627具有較高的CMRR特性(可高達(dá)200 Hz)，從而使得傳輸線(xiàn)干擾和傳輸線(xiàn)諧波等都被排斥掉了。AD627采用真正的儀用放大器結(jié)構(gòu)，他有兩個(gè)反饋環(huán)。其基本結(jié)構(gòu)和典型的“雙運(yùn)放”儀用放大器類(lèi)似，只是細(xì)節(jié)有所不同。另外，AD627所具有的一個(gè)“電流反饋”結(jié)構(gòu)，使得AD627具有較好的共模抑制比。AD627的基本電路見(jiàn)圖3所示。其中A1與V1，R5構(gòu)成了第一個(gè)反饋回路，通過(guò)該回路可在Q1上得到穩(wěn)定的集電極電流(假設(shè)增益設(shè)定電阻此時(shí)不存在)。電阻R1和R2組成的反饋環(huán)可使A1的輸出電壓和反向端電壓相等。通過(guò)A2可形成另一個(gè)幾乎完全相同的反饋環(huán)，他可使Q2的電流和Q1相等，同時(shí)A2還可提供輸出電壓。當(dāng)兩個(gè)環(huán)平衡時(shí)，同向端到VOUT的增益為5，A1輸出到VOUT的增益為-4，A1的反向端增益是A2增益的1.25倍。AD627差動(dòng)模式時(shí)的增益為1+R4/R3，額定值為5。AD627是通過(guò)電阻RG來(lái)設(shè)定增益的。

　　增益G的設(shè)定可按下式確定：G=5+(200 kΩ/RG)可以看出：AD627的最小增益為5(RG=∞時(shí))，在其增益精確度為0.05%～0.7%時(shí)，應(yīng)使用0.1%的外部增益設(shè)置電阻以避免全增益誤差的較大衰減。另外，增益設(shè)置電阻RG的選擇可以從標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置電阻表中選取最接近的值。分并檢單雙電源供電的軌一軌儀用放大器AD627比分立元器設(shè)計(jì)的放大器具有較好的直流交流性能，并且可以方便的用外部電阻設(shè)定增益，因而是傳感器信號(hào)檢測(cè)的較好選擇。

　　5 儀表放大器RFI抑制電路設(shè)計(jì)

　　微功耗儀表放大器AD627易受RF整流的影響，需要更具魯棒性的濾波器。AD627具有低輸入級(jí)工作電流。簡(jiǎn)單地增加兩個(gè)輸入電阻器R1a和R1b的值或電容器C2的值，會(huì)以減小信號(hào)帶寬為代價(jià)提供進(jìn)一步的RF衰減。由于AD627儀表放大器具有比通用IC(例如，AD620系列器件)更高的噪聲(38 nV/Hz)，所以可以使用較高的輸入電阻器而不會(huì)嚴(yán)重降低電路的噪聲性能。為了使用較高阻值的輸入電阻器，設(shè)計(jì)出RC RFI電路，如圖4所示。濾波器的帶寬大約為200 Hz。在增益為100的條件下，1 Hz～20 MHz輸入范圍內(nèi)施加1 Vp-p輸入信號(hào)，RTI最大DC失調(diào)漂移大約為400 uV。在相同增益條件下，該電路的RF信號(hào)抑制能力(輸出端的RF幅度/施加到輸入端的RF幅度)優(yōu)于61 dB。如圖4所示：

　　6 差分模擬多路復(fù)用器ADG707介紹

　　ADG707是8 to 1差分輸入模擬多路復(fù)用器，低導(dǎo)通電阻小到2.5 Ω，40 ns開(kāi)關(guān)時(shí)間，低電壓供電+1.8～+5.5 V，在視頻音頻開(kāi)關(guān)，數(shù)據(jù)保持系統(tǒng)，通信系統(tǒng)等領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。在本系統(tǒng)中使用3.3 V的電壓供電，以符合整個(gè)系統(tǒng)的電源分配。由于本系統(tǒng)所使用的傳感器信號(hào)都是小信號(hào)能滿(mǎn)足ADG707的工作要求。

　　7 AD7656的電路配置

　　電流型傳感器的信號(hào)是通過(guò)上述儀表放大器調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的，電壓型傳感器信號(hào)可以直接通過(guò)運(yùn)算放大器(例如，AD8021)輸入AD7656。本系統(tǒng)使用16 b ADC AD7656，能滿(mǎn)足系統(tǒng)的高精度要求，同時(shí)系統(tǒng)中所采用的傳感器信號(hào)的更新頻率都比較低，最大不超過(guò)20 kHz，而AD7656的采樣頻率為250 kb/s，顯然能滿(mǎn)足要求。AD7656可以進(jìn)行6路同步采樣對(duì)于擴(kuò)展傳感器的個(gè)數(shù)提供了非常大的余地。AD7656的電路配置如圖5所示：

　　8 結(jié)語(yǔ)

　　設(shè)計(jì)考慮在儀表放大器的電路設(shè)計(jì)中，以下一些實(shí)際問(wèn)題需要考慮：

　　(1)AD627的增益是通過(guò)改變編程電阻RG實(shí)現(xiàn)的。為了使AD627的輸出電壓增益精確，應(yīng)使用誤差小于0.1% ～1%的電阻；同時(shí)，為了保持增益的高穩(wěn)定性，避免高的增益漂移，應(yīng)選擇低溫度系數(shù)的電阻。

　　(2)由于AD627的輸出電壓為相對(duì)于基準(zhǔn)端的電壓，為獲得較高的共模抑制比，REF引腳應(yīng)連接于低阻抗點(diǎn)。

　　(3)所有的儀表放大器都能將通帶外的高頻信號(hào)整流；整流后，這些信號(hào)在輸出中表現(xiàn)為直流失調(diào)誤差?？梢栽O(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器防止不必要的噪聲到達(dá)差分輸入端。在很多應(yīng)用中，屏蔽電纜被用來(lái)減少噪聲；為了在整個(gè)頻率范圍內(nèi)得到最好的共模抑制比，屏蔽層必須正確連接。在本文中，結(jié)合本人的工作實(shí)際詳細(xì)說(shuō)明了基于儀表放大器的傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)，并對(duì)容易遇到的問(wèn)題進(jìn)行了剖析，從工程的角度提供了一種行之有效的方案。