基于儀表放大器的信號(hào)放大實(shí)驗(yàn)裝置的研制

舒凱躍

（浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江省舟山市 316000）

在信號(hào)的檢測過程中，若被測信號(hào)帶有幅值微弱、頻率不穩(wěn)定變化、易受外界磁場影響造成局部形態(tài)不連續(xù)性畸變的特點(diǎn)，那么我們在對具有上述特征的信號(hào)進(jìn)行采樣與放大的過程中就要特別注意信號(hào)的不失真問題，且在設(shè)計(jì)電路的過程中要使得放大電路具備一定的抗干擾性。在本裝置中我們采用直流馬達(dá)及其外圍半橋式PWM調(diào)速電路的驅(qū)動(dòng)方式，通過固定在馬達(dá)轉(zhuǎn)軸頂部的小片磁鋼產(chǎn)生形態(tài)不規(guī)整的正弦三角波形信號(hào)，信號(hào)的頻率受到PWM驅(qū)動(dòng)調(diào)速電路的調(diào)節(jié)從而不斷產(chǎn)生變化，為了產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需的信號(hào)強(qiáng)度，通過不斷調(diào)整檢測電路與磁鋼的距離將上述類正弦三角波形的峰峰值保持在25～40mv之間。

1 電機(jī)調(diào)速電路的設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)

在本裝置中圍繞IR2104設(shè)計(jì)了PWM調(diào)速電路的基本解決方案。為了能使該電路更好的提供實(shí)驗(yàn)所需的信號(hào)源，我們在PWM驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)上需要注意以下幾點(diǎn)：

1.1 MOSFET的柵極電阻阻值需合理選擇

若阻值太大則米勒平臺(tái)現(xiàn)象嚴(yán)重，若阻值過小，理論上MOSFET能快速的開通或者關(guān)斷，但是也帶來了另外一個(gè)問題：由于PCB布局在柵極處的ESL、MOSFET自身的ESC與柵極電阻構(gòu)成了串聯(lián)RLC電路，過小的電阻值容易在柵極產(chǎn)生RLC欠阻尼振蕩?；谏鲜鰞蓚€(gè)原因，合理的解決辦法不應(yīng)該是過于的增加電阻值，而是應(yīng)該在PCB布局時(shí)盡量減少ESL。

1.2 振鈴現(xiàn)象的抑制

由于本電路采用半橋方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在半橋方式下，上橋臂和下橋臂依次輪流導(dǎo)通，此運(yùn)行方式與同步式DC降壓BUCK開關(guān)電源類似，故而在上下橋臂與負(fù)載的連接點(diǎn)出會(huì)出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象。雖然不需要像開關(guān)電源那樣根據(jù)負(fù)載電流選擇RC snubber配比電路來精細(xì)化抑制振鈴，但也還是需要一定的振鈴抑制措施。電路中，連接點(diǎn)與電機(jī)之間的連線盡量粗且短以此達(dá)到減少ESL的目的，從而一定程度上抑制振鈴。

1.3 考慮MOSFET內(nèi)體二極管的反向恢復(fù)時(shí)間

由于MOSFET的體二極管和與馬達(dá)并連的續(xù)流二極管都工作于反向偏置狀態(tài)，理論上7.4伏的電壓是被它們截止的，但是實(shí)際工作時(shí)，二極管都具有反向恢復(fù)時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)二極管都能夠被反向?qū)?。為了保證電路能夠正常的工作，必須使得體二極管與續(xù)流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間trr相對于PWM的周期以及死區(qū)時(shí)間在數(shù)量級上都不可比擬。翻閱CSD18540Q513的數(shù)據(jù)手冊可知，其trr為82ns，而續(xù)流二極管SS54屬于肖特基二極管，trr更小，故在此配置下電路能夠正常工作。另外需要注意的是，MOSFET的反向恢復(fù)軟度tf/td越大越好，否則易產(chǎn)生振鈴。

2 信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)裝置中的儀表放大器需要具有CMRR非常高，能很好的抑制共模量干擾的特點(diǎn)。根據(jù)綜合參數(shù)評定，我們選用AD8421儀表放大器。其需要完成的功能可以綜合歸納為：實(shí)現(xiàn)單電源供電下的惠斯通電橋方式（傳感器KMZ10A）采集到的信號(hào)的不失真放大。如圖3所示。

圖1：半橋驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2：半橋驅(qū)動(dòng)電路PCB布局3D

2.1 共模干擾量的抑制

在設(shè)計(jì)基于儀表放大器的放大電路時(shí)，需要消除一個(gè)認(rèn)知誤區(qū)：認(rèn)為共模量除了被消除的意義之外是沒有其它存在價(jià)值的。我們通過儀表放大器普遍采用三運(yùn)放結(jié)構(gòu)可知，儀表放大器的輸出端消除了共模信號(hào)，總增益是第一級增益和第二級增益的乘積

如圖4所示，上述三運(yùn)放結(jié)構(gòu)圖說明了兩點(diǎn)：其一，雖然共模量在儀表放大器的輸出端被消除了，但在儀放的內(nèi)部是存在的；其二，若共模量的數(shù)值不合適就會(huì)在單電源的情況下出問題，分析：

（1）當(dāng)共模量VCM很小，而G1又被用戶設(shè)置的很大時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)V1<0，但單電源供電情況下V1只能無限接近于0，發(fā)生削底現(xiàn)象；

（2）當(dāng)共模量VCM很大，而G1也被用戶設(shè)置的很大時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)V2>VCC，但又不可能超過供電電壓，故發(fā)生削頂現(xiàn)象。

總而言之，系統(tǒng)中輸入信號(hào)的共模量是很難預(yù)知的，不像G1可以由用戶自己調(diào)節(jié)。既然系統(tǒng)中自帶的共模量很難預(yù)知，而共模量又那么重要，故而設(shè)計(jì)者可以采用這樣的設(shè)計(jì)方案：把系統(tǒng)中的共模量通過電容除去，然后人為的加上大小可控的共模量，于是就有了下面的單電源供電情況下的方案（圖5）。

通過C1、C2兩個(gè)電容后，系統(tǒng)共模量中的直流共模量被消除，直流共模量也是影響波形擺幅的最主要成分。用戶考慮供電電壓等因素在C處輸入共模量，從而使得A和B處的電平值包含合理的共模量。同時(shí)，R1和R2也起到為偏置電流提供回路的作用。

本實(shí)驗(yàn)裝置中的電路設(shè)計(jì)則不需要這么麻煩，因?yàn)楫?dāng)KMZ10A采用5v供電時(shí)，由于該磁阻傳感器的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，在沒有外界磁場變化的情況下，共模量為2.5v。我們將AD8421也采用同樣的5v單電源供電，那么只要將增益設(shè)置為50倍（原始信號(hào)是峰峰值為40mv的正弦波），就不會(huì)出現(xiàn)上述的削底和削頂現(xiàn)象。測量簡圖如圖6所示。

圖3：放大電路基本功能模塊組成

圖4：普通儀表放大器內(nèi)部三運(yùn)放結(jié)構(gòu)

圖5：除去直流共模量的方案

圖6：惠斯通電橋方式下的信號(hào)放大

2.2 緩沖器的選型與特點(diǎn)

儀表放大器的VREF引腳是為了將輸出的差分信號(hào)抬升電平，但為VREF端提供2.5V電平的輸入部分電路必需具備輸出阻抗極低的特點(diǎn)，故而不能采取電阻分壓獲得2.5V電平的方式。由于普通運(yùn)放具有很高的輸入阻抗，很低的輸出阻抗，故而往往可以被被作為緩沖器來使用。但并非所有的運(yùn)放都能被接成單位增益(緩沖器)，否則容易產(chǎn)生輸出信號(hào)的振蕩。故而在本電路中，被作為緩沖器的運(yùn)放需要滿足以下條件：

（1）為了滿足電壓調(diào)節(jié)的精準(zhǔn)性：運(yùn)放需要KM以上級別的輸入阻抗、極小的失調(diào)電壓。

若運(yùn)放的輸入電阻過小，容易對外部的分壓產(chǎn)生影響。同樣的，如果運(yùn)放的輸入偏置電流為uA級別的話，則容易在同相端產(chǎn)生mV級別的偏置電壓。LMP2021的輸入阻抗為1GM，輸入偏置電流為pA，另外片上自帶自動(dòng)調(diào)零電路實(shí)現(xiàn)零失調(diào)電壓，滿足上述要求。

（2）為了防止運(yùn)放的輸出產(chǎn)生振蕩，要避免寄生電容的產(chǎn)生：高速運(yùn)放由于具有很高的帶寬，當(dāng)接成單位增益時(shí)，高頻部分的信號(hào)未經(jīng)衰減而是全部被反饋到反相端，當(dāng)不滿足相位裕度和增益裕度時(shí)，容易產(chǎn)生輸出振蕩。但在低速運(yùn)放中，高頻部分已經(jīng)衰減接近為0dB，所以大部分低速運(yùn)放都可以接成單位增益，盡管如此，還是要仔細(xì)核實(shí)所選運(yùn)放數(shù)據(jù)手冊中的開環(huán)增益與相位裕度、增益裕度曲線。

（3）另外還需注意的運(yùn)放布局事項(xiàng)：運(yùn)放的輸入引腳是整個(gè)運(yùn)放抵抗干擾最脆弱的部分。LMP2021內(nèi)置EMI抑制電路，但對于從輸入端引入的噪聲無法抑制。故在PCB布線時(shí)應(yīng)該滿足如下要求：

1.輸入端布線應(yīng)最大程度遠(yuǎn)離供電電源線與輸出線。

2.將敏感信號(hào)線與噪聲線垂直方向布局，避免因?yàn)槠叫蟹胖枚胄盘?hào)耦合。

3.輸入端連線盡可能短。

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于儀表放大器的信號(hào)放大實(shí)驗(yàn)裝置，并對實(shí)驗(yàn)裝置中的信號(hào)產(chǎn)生部分、信號(hào)采集放大部分的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)做了詳盡的闡述。在本文中，以裝置試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)為基本依據(jù)，將在裝置開發(fā)過程中遇到的問題和解決問題的方案結(jié)合實(shí)際進(jìn)行了論證。但是，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制性，還未進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的EMI綜合評定測試，故而無法驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)裝置在各種共模量干擾下信號(hào)測量的可靠性。研究尚需進(jìn)一步驗(yàn)證和完善，以期得到更好的發(fā)現(xiàn)。