基于虛擬儀器的高精度壓力信號放大系統設計

摘要 微弱信號的放大要求高、難度大，涉及信號放大以及信號放大的穩定性及精密度要求。差動放大技術由于具有抑制共模信號而僅放大差模信號、增益高的特點，被應用于小信號放大技術中。系統設計采用具有差分放大功能的AD620芯片，放大了應變式傳感器的微弱電壓信號，以實現系統高精度的要求。采用虛擬儀器技術對放大后的信號進行采集和分析處理，并編寫相應的顯示界面。用二階插值法對測量數據進行分析，驗證了電路的精確性。
關鍵詞 AD620；二階插值；LabVIEW；測力傳感器

1 系統設計方案
系統由直流穩壓源提供±12 V和±5 V兩種電壓。設定±12 V供電時，系統電壓輸出滿量程為5V，傳感器承受靜壓力滿量程為19．6N。滿量程范圍內測量時，靜壓力信號最大絕對誤差9．8×10-3N，相對誤差0．02％。測力傳感器輸出信號經放大電路后提供電壓和電流兩種輸出方式。

2 系統硬件電路整體設計方案
系統整體設計流程如圖1所示。系統硬件電路主要由LC7012測式力傳感器、AD620儀表放大器、參考電壓源以及電壓調零電路、信號濾波整形電路和電壓電流轉換電路組成。

2．1 壓力測量電路
壓力測量采用LC7012測力傳感器，配以全橋測量電路實現。LC7012測力傳感器受到壓力作用時有以下兩個特點：(1)同樣壓力情況下傳感器應變片的應變量和電橋的輸出電壓是常量，且與壓力作用在傳感器受力端的精確位置無關。(2)應變片組成的全橋電路的輸出電壓與壓力基本成線性關系。
LC7012測力傳感器中4片電阻應變片粘貼在雙孔梁的應變區，在有靜壓力作用時，雙孔梁在壓力和系統底盤對雙孔梁的支持力的作用下產生四邊形形變。4片應變片以全橋方式接成全橋電路，在供橋電壓的激勵下，隨壓力不同而輸出不同的微弱電壓信號，放大電路將電橋送來的微弱電壓信號進行放大。
全橋式等臂電橋的結構簡單、對稱性強、靈敏度高、各臂參數一致性好，各種干擾的影響可以相互抵消，比如可以抑制溫度變化的影響，以及抑制側向力的干擾、較方便地解決測力傳感器的補償等問題。全橋測量電路可使輸出的微弱電壓信號，盡可能地排除由電路本身干擾而引起的誤差，為系統整體精度要求提供最初的保障。
2．2 電壓信號放大電路
為提高電橋輸出的微弱電壓信號的放大精度，信號放大電路選用ADI公司生產的AD620芯片為核心原件，并為其設計專門的可調參考電壓源，以滿足不同電壓源供電對參考電壓的需求和精確放大微弱信號的需求。
AD620是一款低成本、高精度的儀表放大器，僅需一個外部電阻來設置增益，增益范圍為1～10 000 dB。且AD620功耗低，最大工作電流為1．3 mA。AD620具有高精度(最大線性度40×10-6)、低失調電壓(最大50μV)和低失調漂移(最大0．6μV／℃)的特性，是傳感器接口等精密數據采集系統的理想選擇。
AD620單片結構和激光晶體調整，允許電路元件緊密匹配和跟蹤，從而保證電路固有的高性能。AD620為三運放集成的儀表放大器結構，為保護增益控制的高精度，其輸入端的三極管提供差分雙極輸入，并采用β工藝獲得更低的輸入偏置電流，通過輸入級內部運放的反饋，保持輸入三極管的集電極電流恒定，并使輸入電壓加到外部增益控制電阻RG上。AD620內部增益電阻以調整至絕對值24．7 kΩ，因此利用一個外部電阻便可實現對增益的精確編程。
增益公式為

AD620放大后的電壓信號可通過濾波整形電路，并經由模數轉換器模塊用數碼管以數字形式顯示。為充分利用和展示虛擬儀器的功能，系統使用LabVIEW設計相應的信號采集處理程序和顯示器界面。