基于AD620的微弱信號(hào)放大器設(shè)計(jì)

竇如鳳，井娥林

(南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇泰州 225300)

0 引言

隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展，各型號(hào)傳感器的檢測(cè)精度顯著提高，信號(hào)處理電路成為限制傳感器測(cè)量精度的瓶頸[1]?，F(xiàn)有的信號(hào)放大電路存在精度差、零點(diǎn)調(diào)節(jié)困難等缺陷，不能滿足高精度傳感器測(cè)量系統(tǒng)的要求，因此設(shè)計(jì)了一種基于AD620的微弱信號(hào)放大器。該放大器專用于處理各型號(hào)傳感器輸出的微弱電信號(hào)。以高精度壓力傳感器(精度0.05%)為例，采用設(shè)計(jì)的基于AD620的微弱信號(hào)放大器放大壓力傳感器輸出的微弱電信號(hào)，利用最小二乘法擬合出相應(yīng)的正相關(guān)數(shù)據(jù)曲線并將其換算成相應(yīng)的壓力值，以此驗(yàn)證基于AD620的微弱信號(hào)放大器的放大精度[2-3]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于AD620的微弱信號(hào)放大器系統(tǒng)包括電壓跟隨器、AD620放大電路、零點(diǎn)偏移電路以及低通濾波電路，系統(tǒng)電路框圖如圖1所示。電壓跟隨器用于提高系統(tǒng)的輸入阻抗，確保傳感器輸出的信號(hào)全都作用到后級(jí)放大電路上，零點(diǎn)漂移電路用于調(diào)整放大器輸出的零點(diǎn)，當(dāng)傳感器未動(dòng)作時(shí)輸出電壓為零，低通濾波電路進(jìn)一步濾除信號(hào)中夾雜的干擾信號(hào)，提高系統(tǒng)放大的精度[4]。濾波電路輸出的信號(hào)一方面可通過V/A轉(zhuǎn)換電路將傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號(hào)供其他儀表使用，另一方面可通過單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器采集濾波電路輸出的電壓信號(hào)，最終計(jì)算得到傳感器受到的壓力值。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 基于AD620的微弱信號(hào)放大器硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電壓跟隨器

為了保證傳感器輸出的信號(hào)無損失地輸入AD620放大電路中，在傳感器輸出的2個(gè)信號(hào)線中加入電壓跟隨器，電壓跟隨器具有輸入阻抗高和輸出阻抗低的特點(diǎn)，還可以將傳感器與后級(jí)電路隔離開，降低傳感器失效時(shí)對(duì)后級(jí)電路的影響[5]。電壓跟隨器預(yù)處理電路如圖2所示。

圖2 電壓跟隨器電路圖

電壓跟隨器采用運(yùn)放OPA2277，OPA2277具有極低的失調(diào)電壓和溫漂，非常適用于微弱信號(hào)放大電路中。R18、C23和R25、C28共同組成了一階RC濾波電路，用于濾除傳感器輸出信號(hào)中的干擾信號(hào)，最終信號(hào)經(jīng)過電壓跟隨器后送入AD620放大電路中。

2.2 AD620放大電路

AD620是低成本、高精度儀表放大器，只需要通過外接1個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)0～1 000的放大倍數(shù)[6]，AD620具有低失調(diào)電壓，低至50 μV；低溫漂，可低至0.6 μV/℃，其次還具有低噪聲、低輸入偏置電流等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于微弱信號(hào)的放大。AD620放大電路如圖3所示。

圖3 AD620放大電路圖

滑動(dòng)變阻器Rt用于調(diào)節(jié)電路的放大倍數(shù)，放大倍數(shù)，AD620的引腳5接地表示不需要調(diào)整零點(diǎn)，本系統(tǒng)為了使得傳感器未動(dòng)作時(shí)，放大器輸出零，因此需要外接調(diào)零電路。AD620的輸出電壓如式(1)所示：

OUT1=G(AD+-AD-)+ADJ

(1)

式中：OUT1為AD620放大器輸出電壓；G為AD620的放大倍數(shù)；AD+、AD-分別為傳感器輸出的2根信號(hào)線； ADJ為零點(diǎn)偏移的調(diào)節(jié)電壓。

2.3 調(diào)零電路

當(dāng)傳感器未動(dòng)作時(shí)傳感器輸出的信號(hào)中夾雜噪聲信號(hào)，經(jīng)過AD620放大后輸出的電壓值不為零，因此在電路中引入調(diào)零電路來調(diào)整放大器輸出的零點(diǎn)，使得當(dāng)傳感器未動(dòng)作時(shí)，放大器輸出電壓為0[7-8]。調(diào)零電路如圖4所示。

圖4 調(diào)零電路圖

本系統(tǒng)采用的OPA2277為雙通道的精密運(yùn)放，利用OPA2277的第1個(gè)通道作為反向比例放大電路，如圖4中U12A，其目的是將正向端輸入的+5 V變?yōu)榉聪蚨溯敵龅?5 V，因此滑動(dòng)變阻器Rb兩端的的電壓變化范圍在-5～+5 V之間，再將OPA2277的第2個(gè)通道作為電壓跟隨器將電壓反饋到AD620的REF端，以此來調(diào)節(jié)零點(diǎn)。由式(1)可知，首先通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器Rt來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的放大倍數(shù)，然后再調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器Rb來調(diào)整調(diào)零電路的輸出電壓ADJ，最終使得在傳感器未動(dòng)作時(shí)放大器的輸出電壓為0。

2.4 濾波電路

濾波電路是放大器的重要組成部分，為了有效濾除放大器輸出信號(hào)中的干擾信號(hào)，需要利用有源二階低通濾波電路濾除信號(hào)中的干擾信號(hào)[9]。系統(tǒng)設(shè)置低通濾波電路的截止頻率為10 kHz，放大增益設(shè)為1，二階有源低通濾波電路如圖5所示。

圖5 濾波放大電路圖

2.5 V/A轉(zhuǎn)換電路

經(jīng)過二階有源低通濾波電路后，可利用V/A轉(zhuǎn)換電路將放大器輸出的0～3.3 V電壓轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號(hào)供其他儀表使用[10]，V/A轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

圖6 V/A轉(zhuǎn)換電路圖

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

經(jīng)過二階有源低通濾波器后輸出的電壓信號(hào)已經(jīng)非常平穩(wěn)，此時(shí)可利用單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集。為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的放大器的放大精度和抗干擾性，系統(tǒng)將放大器配合壓力傳感器一起測(cè)試，首先利用固定砝碼對(duì)整個(gè)放大器系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，可通過最小二乘法擬合出傳感器所受壓力值與輸出電壓的線性曲線，最終計(jì)算得到壓力值，可通過擬合的線性曲線來求出壓力值，以此來證明該放大器的放大精度。傳感器采用高精度(0.05%)壓力傳感器，該傳感器的量程為0～980 N，傳感器實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 壓力傳感器實(shí)物圖

將該傳感器接入設(shè)計(jì)的的放大器電路中，首先通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器Rt來調(diào)整放大器的放大倍數(shù)，再通過調(diào)節(jié)零點(diǎn)調(diào)整電路中的Rb，當(dāng)傳感器未受壓力時(shí)使得放大器輸出的電壓為0。將標(biāo)準(zhǔn)砝碼放在傳感器上，利用高精度萬(wàn)用表測(cè)量放大器的輸出電壓，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 壓力與輸出電壓標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

針對(duì)上述數(shù)據(jù)利用最小二乘法擬合出數(shù)據(jù)曲線，線性度非常高，得到線性關(guān)系式：

y=0.027 47x

(2)

式中：y為所加的砝碼質(zhì)量，kg；x為放大器輸出的電壓值，mV。

再根據(jù)擬合出的壓力-電壓數(shù)據(jù)曲線，推算傳感器加載的壓力值，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 放大器精度測(cè)試

由上述測(cè)量數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)輸出的整體誤差小于0.1%，由此可見系統(tǒng)設(shè)計(jì)的放大器精度高，放大器的誤差小于0.1%。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的微弱信號(hào)放大器可作為各型號(hào)傳感器的變送器，用于調(diào)理傳感器輸出的信號(hào)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于AD620的微弱信號(hào)放大器，該放大器與傳統(tǒng)放大器相比具有如下優(yōu)勢(shì)：通過選用高精度、低溫漂的集成放大器芯片進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測(cè)量精度；設(shè)計(jì)了一種新的調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)放大器的零點(diǎn)調(diào)節(jié)；在放大器的輸出中額外引入V/A轉(zhuǎn)換電路，可將輸出電壓轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號(hào)供其他儀表使用，擴(kuò)大了該放大器的使用范圍。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該電壓放大器精度高，誤差小于0.1%，可用于放大各型號(hào)傳感器輸出的微弱信號(hào)以及作為傳感器的變送器使用，具有很大的實(shí)用意義。