摘要：本文介紹了ADI公司自動(dòng)穩(wěn)零精密儀表放大器AD8230的基本工作原理、使用要點(diǎn)及自動(dòng)穩(wěn)零技術(shù)，給出了以該芯片為核心的一種低噪聲、高增益精密應(yīng)變測(cè)試儀的設(shè)計(jì)電路。實(shí)驗(yàn)表明測(cè)試儀zui大動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差≤1.53‰。
　　
　　1、引言
　　
　　應(yīng)變片式傳感器應(yīng)用十分廣泛，它一般采用電橋式電路結(jié)構(gòu)，以提高輸出靈敏度。但一個(gè)微應(yīng)變橋路輸出只有2mV/V左右，即使在滿載情況下，應(yīng)變片的zui大輸出也只有數(shù)十mV，這就要求前置測(cè)量放大電路具有高增益、高精度、低噪聲、低漂移等特點(diǎn)。一般集成運(yùn)算放大器都是利用參數(shù)補(bǔ)償原理的直接耦合或者阻容耦合方式，它們的初始失調(diào)參數(shù)并不等于零，而是用調(diào)零電位器或精密修正技術(shù)的調(diào)節(jié)來進(jìn)行失調(diào)參數(shù)的補(bǔ)償。如此使得直接耦合放大器在放大信號(hào)的同時(shí)也放大了溫漂，而阻容耦合放大器雖能抑制溫漂，但不能用來放大微弱的直流信號(hào)或緩慢變化的信號(hào)，它會(huì)將這種信號(hào)作為溫漂給抑制掉。使用自動(dòng)穩(wěn)零技術(shù)的精密儀表放大器AD8230就能很好地解決抑制溫漂又放大微弱直流信號(hào)這個(gè)問題，以滿足精密應(yīng)變測(cè)試儀的設(shè)計(jì)要求。
　　
　　2、放大器AD8230的工作原理與特性
　　
　　AD8230是ADI公司推出的一款利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)兼?zhèn)涑⌒蚐OIC工藝制作的穩(wěn)零式精密儀表放大器。與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AD62×系列儀表放大器相比，AD8230有許多關(guān)鍵的性能提高：具有109Ω的高輸入阻抗，能有效地抑制信號(hào)源與傳輸網(wǎng)絡(luò)阻抗不對(duì)稱引起的誤差；在-40℃~+125℃的工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓為10μV、失調(diào)電壓溫度漂移只有50nV/℃，共模抑制比高達(dá)140dB，能有效地抑制共模干擾引入的誤差，提高系統(tǒng)信噪比和對(duì)溫度影響的抵抗能力；輸入輸出擺幅可達(dá)電源限（-VS~+VS），以適應(yīng)信號(hào)源電平的較寬范圍；具有較高的增益及較寬的增益調(diào)節(jié)范圍（G=2~1000），其典型增益誤差為±0.01%，增益非線性誤差僅為20ppm，有效地保障了系統(tǒng)的測(cè)量精度。　　
　　放大器增益由兩只外部電阻器設(shè)置以便溫度系數(shù)（TC）匹配,如圖1所示，增益G=2（1+RF/RG）。為使增益誤差及增益漂移zui小，RF、RG應(yīng)選用低溫度系數(shù)的精密電阻器，TC應(yīng)低于10ppm/℃為佳。
　　
　　AD8230由參考端電位確定零輸出電壓，當(dāng)負(fù)載與系統(tǒng)地不明確共地時(shí)特別有用，它提供一種對(duì)輸出引入精密補(bǔ)償?shù)闹苯臃椒ǎ脜⒖级诉€可提供一個(gè)虛地電壓放大雙極性信號(hào)。若AD8230相對(duì)地輸出，則參考端應(yīng)接地，為了使接地回路阻抗zui小，達(dá)到*的CMR，參考端應(yīng)接到一個(gè)低阻抗接點(diǎn)，建議使用接地平面。
　　
　　AD8230采用精心設(shè)計(jì)和布線，確保在低輸入信號(hào)條件下也能保持高精度。其平衡的線路走勢(shì)減少了對(duì)CMR性能有不利影響的寄生效應(yīng)，*的引腳排列簡(jiǎn)化了PCB布線，因?yàn)橄嚓P(guān)印制線都分組靠近在一起，輸入、輸出部分被地線引腳隔離。
　　
　　3、自動(dòng)穩(wěn)零原理
　　
　　自動(dòng)調(diào)零（或自穩(wěn)零）是一種動(dòng)態(tài)地抵消失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移的技術(shù)，它能將相對(duì)輸入端的失調(diào)電壓降低到μV級(jí)，將失調(diào)電壓漂移降低到nV/℃級(jí)。動(dòng)態(tài)抵消失調(diào)的另一優(yōu)點(diǎn)是可降低低頻噪聲，特別是1/f噪聲。自動(dòng)穩(wěn)零運(yùn)算放大器的基本指導(dǎo)思想是：如果能將運(yùn)放兩個(gè)輸入端短路時(shí)或加共模輸入信號(hào)時(shí)的輸出電壓（誤差電壓）先用電容器寄存起來（簡(jiǎn)稱采樣），再與運(yùn)放正常工作時(shí)的輸出電壓相減（簡(jiǎn)稱校零），則可有效地減小失調(diào)電壓、失調(diào)電流及溫度變化和電源電壓波動(dòng)所引起的漂移，也可有效地抑制共模信號(hào)。
　　
　　AD8230具有自穩(wěn)零電路結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部信號(hào)路徑由一個(gè)有源差分采樣保持級(jí)（前置放大器）和一個(gè)差分放大級(jí)（增益放大器）組成。兩級(jí)放大器都能實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)零，使失調(diào)和漂移減少到zui低，全差分電路結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了對(duì)寄生噪聲的抵抗能力。自穩(wěn)零基本原理如圖2所示，現(xiàn)以兩個(gè)相繼時(shí)鐘相位A、B分別描述其內(nèi)部工作順序。　　
　　電路通過電子開關(guān)來切換兩個(gè)階段循環(huán)工作：在時(shí)鐘上半周期，電路處于采樣階段，采樣電容器CSAMPLE連接到信號(hào)輸入端，該輸入信號(hào)的差分電壓VDIFF被儲(chǔ)存在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使其輸出保持在以前采樣的輸入信號(hào)幅度；在時(shí)鐘下半周期，電路處于動(dòng)態(tài)校零和放大階段，CSAMPLE上采集的差分信號(hào)被提供給增益放大器，刷新儲(chǔ)存在CHOLD上的電壓值，并由增益放大器放大。當(dāng)CSAMPLE連接到前置放大器的輸出端時(shí)，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與前置放大器有相同的共模電壓。
　　
　　4、精密應(yīng)變測(cè)試儀的實(shí)現(xiàn)
　　
　　應(yīng)變測(cè)試儀主要由橋壓產(chǎn)生、射頻干擾（RFI）濾波、共模抑制、信號(hào)放大、低通濾波和緩沖驅(qū)動(dòng)等電路構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。　　
　　在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，不斷增加的射頻干擾，可能被放大器整流后表現(xiàn)為難以消除的直流失調(diào)誤差，同時(shí)考慮到信號(hào)傳輸線路長(zhǎng)、強(qiáng)度弱的情況，在儀表放大器前設(shè)置一個(gè)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(gè)輸入端與地之間的AC信號(hào)平衡，以及在測(cè)量帶寬內(nèi)保持足夠高的輸入阻抗以避免降低對(duì)輸入信號(hào)源的帶載能力。
　　
　　應(yīng)變傳感器工作電壓由橋壓產(chǎn)生電路供給，其穩(wěn)定性直接影響到輸入信號(hào)的測(cè)量精度。為使測(cè)量誤差及輸入信號(hào)漂移zui小，橋壓電路應(yīng)選用低溫度系數(shù)的精密基準(zhǔn)穩(wěn)壓集成電路，如LM399、LM3999等。它們采用次表面隱埋技術(shù)，具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、噪聲電壓低等優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)異的恒溫特性αT＝（0.3～2）×10－6/℃，可有效消除溫度變化對(duì)基準(zhǔn)電壓的影響。
　　
　　系統(tǒng)增加了共模抑制電路，可進(jìn)一步減小系統(tǒng)噪聲和直流零點(diǎn)漂移誤差，提高測(cè)試精度；在儀表放大器輸出端設(shè)置一個(gè)低通濾波器以濾除高頻分量，降低低頻噪聲；增加緩沖驅(qū)動(dòng)電路加大放大器的帶載能力，在放大器與負(fù)載相距較遠(yuǎn)時(shí)，效果明顯。該系統(tǒng)解決了以往應(yīng)變儀中頻帶不足、精度不高等難題，是一種新型的精密測(cè)試儀器。
　　
　　5、AD8230在應(yīng)變測(cè)試儀中的應(yīng)用
　　
　　AD8230集成放大器在精密應(yīng)變測(cè)試儀中主要用于共模抑制、信號(hào)放大、自動(dòng)穩(wěn)零和輸出緩沖等。
　　
　　5.1共模抑制電路
　　
　　因應(yīng)變電橋輸出電壓很弱，信號(hào)傳輸大多采用屏蔽電纜。在遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)，信號(hào)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(dāng)兩個(gè)輸入端各自對(duì)地電容不等時(shí)，將使系統(tǒng)的共模抑制能力下降，影響后級(jí)測(cè)量精度。如圖4采用一種積極的數(shù)據(jù)保護(hù)措施，將屏蔽層適當(dāng)驅(qū)動(dòng)后接于共模信號(hào)相等電位點(diǎn)上，改善ACCMR，從而不產(chǎn)生泄漏電流，有效增強(qiáng)信噪比。　　
　　5.2輸出濾波、驅(qū)動(dòng)緩沖電路
　　
　　AD8230放大器驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力較小，僅為驅(qū)動(dòng)10kΩ以上負(fù)載阻抗。若負(fù)載阻抗小于10kΩ，其輸出端應(yīng)再加一級(jí)精密驅(qū)動(dòng)緩沖器。根據(jù)應(yīng)用頻段，在輸出端加設(shè)一個(gè)低通濾波器以濾除高頻分量，推薦選用UAF42AU。它集濾波、驅(qū)動(dòng)為一體，通過改變管腳間連接，可靈活實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通或帶阻濾波。當(dāng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載為2kΩ時(shí)，UAF42AU輸出擺幅為±11.5V，可滿足測(cè)試儀在各領(lǐng)域的應(yīng)用要求。輸出緩沖電路如圖5所示。　　
　　6、結(jié)束語
　　
　　該集成電路可取代分立器件構(gòu)成的儀表放大器，具有線性度優(yōu)良、溫度穩(wěn)定性高、體積小、可靠性高等特點(diǎn)，可用作低功耗醫(yī)用儀表放大器、熱電偶放大器、電橋應(yīng)變測(cè)量放大器及用于傳感器接口、工業(yè)過程控制、低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。由其構(gòu)成的應(yīng)變測(cè)試儀被廣泛應(yīng)用于物料計(jì)量稱、動(dòng)態(tài)汽車衡、傳感器儀表等，大量實(shí)踐表明，該測(cè)試儀zui大動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差≤1.53‰。