穩定模擬表頭讀數的機電阻尼法

在交付動圈表頭之前，制造廠用一根連線將表頭的端子短路，以產生有效的電磁阻尼，防止運輸中發生的外界機械振動和沖擊。本設計實例將相同原理用于正常工作條件下的模擬表頭。將一只表頭連接到有低內阻的電壓源，即施加電磁阻尼，使表頭的讀數更穩定。在移動系統或便攜系統應用中增加對外界振動和沖擊的防護能力非常重要，尤其是對車載設備。

　　舉例來說，假設您的應用需要測量0~10V 的電源（圖 1）。手頭有一塊滿量程額定電壓 VFS 為 50 mV，滿量程額定電流為 1mA 的典型機電式表頭。要得到 10V 的滿量程電壓范圍，就要串聯一只電阻 RS。首先，計算出表頭的內阻 RCOIL：

　　然后，計算出增加的電阻值RS，如下：

　　RS的阻值一般要遠大于RCOIL，因此顯著地降低了表頭運動時的機電阻尼。雖然可以將表頭并聯一只電容器來增加阻尼，但這種方法也會增加表頭的穩定時間。

　　圖2是一種更好的方法，動圈式表頭連接到一個運算放大器IC1的輸出，嵌入到一個深度負電壓反饋的環路中。由于運放有極低的等效輸出阻抗，表頭端子處于“實際上短路”狀態，因而提供有效的機電阻尼作用，使電表讀數更穩定，并提高了對振動和沖擊的承受能力。在圖 2 中，由連接到運放非反相輸入端的R1和R2組成的電阻分壓計，確定了表頭的滿量程讀數。可以增加RF和CF構成一個優選的高通濾波器，進一步改進表頭的穩定時間。晶體管Q1和Q2也是優選的，用途是增加過壓保護功能。注意在正常工作情況下，晶體管的正向基極射極電壓VBE應數倍于表頭滿量程電壓VFS，后者一般為50mV~100mV。

　　一支具有滿擺幅輸出能力、單電源的微功耗運放是這一應用的上佳選擇。如果輸入電壓VIN超過運放的最小電源電壓要求，可以將運放的VCC管腳直接連接到輸入端，如圖 2 中虛線所示。這個電路實際上組合了表頭緩沖的優點和傳統動圈表頭無需外接電源的優點而提高了抗振動和沖擊的能力。運放可以選擇市場上現有的滿擺幅輸出微功耗運放，其耗電流要低于普通動圈表頭的滿量程電流 IFS。例如，Maxim 的 MAX4289 功耗低至 1V 和 9mA，而 MAX4470要求的 最低電壓為 1.8V，但只需 750 nA 供電電流。

　　盡管這個設計實例只局限于直流電壓的測量，但也可以對電路作改進，使之適用于交流電壓和直流電壓測量（圖 3）。圖中在滿擺幅輸出運算放大器和電阻器R3、R4與R5基礎上（參考文獻1），增加了一個無二極管的精密全波整流級。電阻器R1和R2決定了滿量程讀數值。這個電路需要外接直流電源，以驅動運放IC1和IC2，限壓晶體管Q1和Q2是優選的。

參考文獻
Bell, Alexander, "Simple Full-Wave Rectifier," Electronic Design, April 4, 1994, pg 78.

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