自動調零放大器在應變測試儀中的應用

引言

應變片式傳感器應用十分廣泛，它采用電橋式電路結構，以提高輸出靈敏度。但一個微應變橋路輸出只有2mv左右，即使在滿載情況下，應變片的最大輸出也只有數十mv，這就要求前置測量放大電路具有高增益、高精度、低噪聲，低漂移等特點，一般集成運算放大器都是利用參數補償原理的直接耦合或者阻容耦合方式，它們的初始失調參數并不等于零，而是用調零電位器或精密修正技術進行失調參數的補償，這使得直接耦合放大器在放大信號的同時也放大了漂移，而阻容耦合放大器雖能抑制漂移，但不能用來放大微弱的直流信號或緩慢變化的信號，它會將這種信號作為漂移移植掉，使用自動穩零技術的精密儀表放大器ad8230就能很好地解決抑制漂移的同時又放大微弱直流信號這個問題，以滿足精密應變測試儀的設計要求。

ad8230的工作原理與特性

ad8230是adi公司的一款利用動態校零技術，采用超小型soic工藝制作的穩零式精密儀表放大器，與工業標準ad62x系列儀表放大器相比，ad8230許多關鍵的性能提高；具有108歐姆的高輸入阻抗，能有效地抑制信號源與傳輸網絡阻抗不對稱引起的誤差；在－40℃－＋125℃的工作溫度范圍能，輸入失調電壓為10μv、失調電壓溫度漂移只有50nv/℃，共模抑制比高達140db，能有效地抑制共模干擾引入的誤差，提高系統信噪比和對溫度影響的抵抗能力，輸入/輸出擺幅可達電源限（－vs－＋vs），以適應信號源電平的較寬范圍，具有較高的增益及較寬的增益調節范圍（g＝2－1000），其典型增益誤差為±0.01％，增益非線現誤差僅為20ppm，有效地保障了系統的測量精度。

放大器增益兩個外部電阻器設置，以實現溫度系數(tc)匹配。

ad8230由參考端電位確定零輸出電壓，當負載與系統地不明確地時特別有用，它提供了一種對輸出引入精密補償的方法，利用參考端還可提供一個虛地電壓放大雙極性信號，若ad8230相對地輸出，則參考端應接地，為了使接地回路阻抗最小，達到最佳的cmr，參考端應接到一個低阻抗接點，建議使用接地平面。

自動調零（或自動穩零）是一種動態地抵消失調電壓和失調電壓漂移的技術，它能將相對輸入端的失調電壓降低到μv級，將失調電壓漂移降低到nv/℃級。動態抵消失調的另一優點是可降低低頻噪聲，特別是1/f噪聲，自動穩零運算放大器的基本指導思想是：如果能將運放兩個輸入端短路時或加共模輸入信號時的輸出電壓（誤差電壓）先用電容器寄存起來（簡稱采樣），再與運放正常工作時的輸出電壓相減（簡稱校零）則可有效地減小失調電壓、失調電流及溫度變化和電源電壓波所引起的漂移，也可以有效地抑制共模信號。

ad88230具有自穩零電路結構，其內部信號路徑由一個有源差分采樣保持級（前置放大器）和一個差分放大級（增益放大器）組成，兩級放大器都能實現自穩零，使失調和漂移減少到最低，全差分電路結構增強了對寄生增生的抵抗能力。自動穩零基本原理如圖1所示，這里以兩個相繼時鐘相位a、b分別描述其內部工作順序。

電路通過電子開關來切換兩個階段循環工作：在時鐘上半周期，電路處于采樣階段，采樣電容器csample連接到信號輸入端，該輸入信號的差分電壓vdiff被存儲在csample上，共模電壓被抑制。在此期間，增益放大器與前置放大器斷開，以時其輸出保持在以前采樣的輸入信號幅度，在時鐘下半周期，電路處于動態校零和放大階段，csample上采集的差分信號被提供給增益放大器，刷新存儲在chold上的電壓值，并由增益放大器放大。當csample連接到前置放大器的輸出端時，前置放大器的共模輸出電壓被下拉到參考電位vref。用這種方法，使csample與前置放大器具有相同的共模電壓。

精密應變測試儀的實現

應變測試儀主要由橋壓產生、射頻干擾（rfi）濾波、共模抑制、信號放大、低通濾波和緩沖驅動等電路構成，其結構框圖如圖2所示。

在實際應用環境中，不斷增加的射頻干擾，被放大器整流后可能表現為難以消除的直流失調誤差，同時考慮到信號傳輸線路長、強度弱的情況，在儀表放大器前設置一個差分低通濾波器，用以盡可能多地從輸入端去除rf能量，保持每個輸入端與地之間的ac信號平衡，以及在測量帶寬內保持足夠的輸入阻抗，以避免降低輸入信號源的帶載能力。

應變傳感器工作電壓由橋壓產生電路供給，其穩定性直接影響輸入信號的測量精度，為使測量誤差及輸入信號漂移最小，橋壓電路應選用低溫度系數的精密基準穩壓芯片，日lm399、lm3999等，它們采用次表面隱埋技術，具有長期穩定性好、噪聲電壓低等優點，其優異的恒溫特新at＝（0.3～2）×10－6/℃，可有效消除溫度變化對基準電壓的影響。

系統增加了共模抑制電路，可進一步減小系統噪聲和直流零點漂移誤差，提高測試精度，在儀表放大器輸出端設置一個低通濾波器以濾除高頻分量，降低低頻噪聲；增加緩沖驅動電路，加大放大器的帶載能力，在放大器與負載相距較遠時，效果明顯，該系統解決了以往應變儀中頻帶不足，精度不高等難題，是一種新型的精密測試儀器。

ad8230在應變測試儀中的應用

ad8230在精密應變測試儀中主要用于共模抑制、信號放大、自動穩零和輸出緩沖等。

共模抑制電路

因應變電橋輸出電壓很弱，信號傳輸大多采用屏蔽電纜。在遠距離測量時，信號線與電纜屏蔽層之間存在不容忽視的分布電容，若將屏蔽層直接接地，則當兩個輸入端各自對電容不等時，將使系統的共模抑制能力下降，影響后級測量精度。圖3采用一種積極的數據保護措施，將屏蔽層適當驅動后接于共模信號相等的電位點上，改善accmr，從而不產生泄漏電流，提高了信噪比。

輸出濾波、驅動緩沖電路

ad8230放大器驅動負載能力較小，僅可驅動10k歐姆以上負載阻抗。若負載阻抗小于10k歐姆，其輸出端應再加一級精密驅動緩沖器，根據應用頻段，在輸出端加設一個低通率濾波器以濾除高頻分量，推薦選用uaf42au。它集濾波、驅動為一體，通過改變引腳間連接，可靈活實現低通、高通、帶通或帶阻濾波。當驅動負載為2k歐姆時，uaf42au輸出擺幅為±11.5v，可滿足測試儀在各領域的應用要求，輸出緩沖電路如圖4所示。

結語

ad8230可取代分立器件構成的儀表放大器，具有線性度好、溫度穩定性高、體積小、可靠性高等特點，可用作低功耗地用儀表放大器，熱電耦放大器、電橋應變測量放大器及用于傳感器接口、工作過程控制和低功耗數據采集系統中，由其構成的應變測試儀被廣泛應用于物料計量稱、傳感器意表等，實踐證明，該測試儀最大動態測量誤差≤1.53‰。