微弱信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

呂志昂

（山東勝利職業(yè)學(xué)院 交通工程分院，山東 東營(yíng) 257000）

信號(hào)調(diào)理電路廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、儀器儀表等對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)及處理的應(yīng)用中。它是傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器等后續(xù)裝置的接口。它將傳感器輸出的非常微弱的且受到多種噪聲源干擾的低電平信號(hào)進(jìn)行放大、處理、抑制噪聲并統(tǒng)一格式，使之成為適合A/D轉(zhuǎn)換器等后續(xù)裝置要求的信號(hào)。對(duì)于不同的被測(cè)對(duì)象，所采用的傳感器的種類很多，對(duì)信號(hào)調(diào)理電路提出了不同的要求。結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換器等后續(xù)裝置的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好的信號(hào)調(diào)理電路已經(jīng)成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容。本文以A1323線性霍爾傳感器檢測(cè)弱磁信號(hào)為例，探討相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)方法。

1 信號(hào)調(diào)理電路中放大器芯片的選用

運(yùn)算放大器作為信號(hào)調(diào)理電路中的重要元件，一直為電路設(shè)計(jì)工程師所重視。根據(jù)傳感器的類型、信號(hào)調(diào)理電路及其不同功能來(lái)選擇合適的運(yùn)算放大器，是設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常面臨的問(wèn)題。在本文中，弱磁信號(hào)經(jīng)高靈敏度且對(duì)溫度穩(wěn)定的A1323線性霍爾傳感器變換為電信號(hào)后，還是非常微弱，只是毫伏級(jí)的電壓信號(hào)。因此，對(duì)后續(xù)的調(diào)理電路提出了具體要求：要具有很好的直流特性，即有較低的溫度漂移，較低的輸入失調(diào)電壓和較小的輸入偏置電流；要有較高的共模抑制比和較大的增益（幾百倍）；要有低功耗和低噪聲等。

根據(jù)這一要求，在設(shè)計(jì)中選用AD620型集成運(yùn)放芯片。AD620具有以下特點(diǎn)[1]：

（1）很好的直流特性。最大輸入失調(diào)電壓為50 μV，最大輸入偏置電流僅為2.0 nA，最大溫度漂移僅為 1 μV/℃。 供電電源范圍為±2.3 V～±18 V，最大供電電流僅為1.3 mA（低功耗）。

（2）很低的噪聲。在 1 kHz時(shí)，輸入電壓噪聲為9 nV；在0.1 Hz～10 Hz時(shí)，輸入電壓噪聲的最大值為0.14 μV，輸入電流噪聲為 0.1 pA。

（3）較大的增益。AD620的放大倍數(shù)可設(shè)置為1～1000。

（4）較高的共模抑制比。AD620的共模抑制比可達(dá)100 dB。

（5）功耗低、精度高且體積小。以SOIC或DIP封裝，價(jià)格適中。

AD620的管腳功能如圖1所示。其中，1、8腳外接調(diào)整電阻；2、3腳外接輸入信號(hào)的兩極（2接信號(hào)的負(fù)極，3接信號(hào)的正極）；4、7腳接外部電源的兩極 （4接電源的負(fù)極，7接電源的正極）；5腳為參考端，一般情況下與地連接；6腳為放大后信號(hào)的輸出端。內(nèi)部電路如圖2所示。電路的放大倍數(shù)可以由內(nèi)部增益調(diào)節(jié)電阻Rg精確調(diào)節(jié)，當(dāng)內(nèi)部增益電阻R1和R2被精確確定為24.7 kΩ時(shí)，其放大倍數(shù)K的調(diào)節(jié)公式為[2]：

圖1 AD620的管腳示意圖

圖2 AD620內(nèi)部方框圖

2 信號(hào)調(diào)理電路中參數(shù)的確定

利用AD620所設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。該電路也可稱為儀用放大器，其主要功能為：是高精度放大霍爾傳感器輸出的微弱的信號(hào)；具有較高的共模抑制比，抑制共模干擾，提高信噪比；采用濾波方法提高信號(hào)質(zhì)量；采用差動(dòng)輸入以減少零漂[3]。

信號(hào)調(diào)理電路中的A2是由AD705構(gòu)成的電壓跟隨器，作緩沖級(jí)，起阻抗變換作用，為后級(jí)濾波器高品質(zhì)的工作提供保證。此外，還起隔離作用，隔離放大器放大過(guò)程、電壓提升過(guò)程中的噪聲。A3是由AD705構(gòu)成的濾波電路，用來(lái)保證輸出高質(zhì)量的信號(hào)，以滿足后續(xù)信號(hào)采集的要求。該檢測(cè)過(guò)程要求放大電路的放大倍數(shù)調(diào)節(jié)到100倍，由于放大倍數(shù)并不是很高，因此，濾波電路A3采用RC濾波。由于采樣頻率很低，因此，濾波器為低通濾波，低通濾波器的截止頻率為10 Hz，低于10 Hz的信號(hào)通過(guò)。電路選用低溫度系數(shù)的精密電阻，以獲得盡可能低的漂移；R1、R2和 R4、R5的選擇應(yīng)盡可能匹配。采取在電源的引入端采用電源退耦電容，以消除電源所帶來(lái)的波紋干擾。在信號(hào)輸入端增加RC濾波器等措施，以增強(qiáng)電路的抗干擾能力。該電路的主要性能指標(biāo)為：高輸入阻抗 （1 012～1 014 kΩ）；高共模抑制比（≈106）；低輸入偏置電流（納安級(jí)）；低噪聲、低功耗、差分輸入、單端輸出且工作穩(wěn)定。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路圖

在電路中，各元器件的參數(shù)確定如下：

（1）取放大器增益為100，則增益調(diào)節(jié)電阻為：

（2）要求濾波器截止頻率為 f=10 Hz，取 C1=C2=C3=0.1 μF，則：

AD620中的5腳在此電路中用于上拉電壓，接一塊LM336，電路如圖3所示。LM336集成電路是精密的2.5 V并聯(lián)穩(wěn)壓二極管。這種單片基準(zhǔn)如低溫度系數(shù)2.5 V齊納二極管那樣工作。取R3=2.5 kΩ，則此時(shí)的5腳被穩(wěn)定在2.5 V。

3 信號(hào)調(diào)理電路的特性測(cè)試

信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)好后，有必要對(duì)信號(hào)調(diào)理電路的特性進(jìn)行測(cè)試，使其靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能都能滿足檢測(cè)需要。下面是對(duì)所設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路的增益特性進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試電路示意圖如圖4所示。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路特性測(cè)試示意圖

測(cè)試所用的UJ33a是直流電位差計(jì)，其準(zhǔn)確度非常高，可達(dá)到0.05%，可以測(cè)量微弱的直流電壓，經(jīng)過(guò)控件轉(zhuǎn)換，可以測(cè)量電阻、電流、電功率和溫度等參數(shù)。由于UJ33a內(nèi)部配置不飽和型標(biāo)準(zhǔn)電池和9 V干電池，因此，也可以輸出電壓信號(hào)，作為校驗(yàn)儀表用。UJ33a的性能穩(wěn)定，溫度系數(shù)很小，符合本文對(duì)信號(hào)調(diào)理電路特性的要求。

經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，將信號(hào)調(diào)理電路的電壓放大倍數(shù)精確調(diào)節(jié)為300，由UJ33a直流電位差計(jì)給信號(hào)調(diào)理電路提供-15 mV～+15 mV的標(biāo)準(zhǔn)電壓，從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表中讀出相應(yīng)的讀數(shù)。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 信號(hào)調(diào)理電路特性測(cè)試數(shù)據(jù)表

電壓放大倍數(shù)的理想值為300，本文用標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)衡量這組測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度。零輸入的測(cè)量不計(jì)在內(nèi)，6個(gè)數(shù)的平均值為：

則標(biāo)準(zhǔn)差為：

則電壓放大倍數(shù)可表示為：

這說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路的增益特性精確度能滿足檢測(cè)要求。

[1]喬巍，杜愛(ài)玲，陳春，等.高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2003（4）.

[2]崔建鵬.現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)測(cè)控平臺(tái)——信號(hào)調(diào)理綜合模塊[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2003.

[3]萬(wàn)升云.磁記憶檢測(cè)原理及其應(yīng)用技術(shù)的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.