《仪表放大器及在智能化仪器中应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《仪表放大器及在智能化仪器中应用.docx（18页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、仪表放大器及在智能化仪器中应用河南省平顶山工业职业技术学院 王岗岭 樊建文 韩建军摘 要：在智能化传感器系统中广泛采用多路开关和仪表放大器构成信号放大处理电路，放大差分信号的仪表放大器在设计使用过程中应考虑到输入共模信号的范围、输入偏置电流回路设置、增益的选择、调零、滤波等因素，以及所选择的信号输入方式。针对这些问题进行了较详细的讨论。 关键词：仪表放大器 设置 应用仪表放大器具有的高精度、低漂移、低功耗、高共模仰制比、电源供电范围宽、体积小等优点，在数据采集系统、电桥、热电偶及传感器等高分辨率的智能化仪表放大电路中得到了广泛的应用。1. 仪表放大器的结构、电路原理及电气参数仪表放大器一般是集
2、成三个放大器和经过激光调阻修正的电阻网络构成，内部阻值的校准保证用户只需要外接一个不需要精密匹配的电阻，即可实现最高达万倍的增益精确设定，减少了由于增益相关误差带来的数据采集误差。而美国德州仪器公司推出的精密仪表放大器INA326/327等（INA326采用8脚MSOP封装，INA327采用10脚MSOP封装），它在传统的三片运放式的基础上作进一步改进，将电阻网络改变为四个镜像电流源电路，可将输出电压信号转换为电流信号并进行处理，不需要精密匹配的电阻，就可有效地抑制共模输入电压，共模抑制比可达114dB（典型值）。INA326/327仪表放大器具有高精度、低失调电压、高共模仰制比和较低温漂、线
3、性度好、工作频带宽等优点，其输入或输出接近于电源电压，因此能够提高输入和输出的动态范围，适合对各种微小信号进行放大。INA326的结构原理图见图1。电路原理：同相输入端VIN+与反相输入端VIN-可分别通过运算放大器A1、A2作用于R1，来自A1输出级的流过R1电流IR1和复制于A1的镜像电流IR1汇合后，进入A2，A2输出级输出2IR1，由于镜像电流作用将在脚5流出（或输入）电流为2IR1，因此，其电压增益为：Au=2R2/R1由于内部电源泵可分A1、A2及相关电源提供所需电压，且其值可超过电源正负限。因此，加在其两端的电压可达到-20mV+100mV。A3是电压跟随器，起缓冲输出作用，其输
4、入级亦由电源泵供给。INA326的主要电气参数如表所示。INA326的主要电气参数参 数典型值单 位增益公式（外接电阻设置增益）Au =2（R2/R1）增益范围0.110000V/V增益误差0.08%线性误差0.004% of FS增益温度系数6ppm/输入失调电压20V失调电压漂移0.1V/输入偏置电流0.2nA差分输入电阻/电容1010/2/pF共模输入电阻/电容1010/14/pF输入电压范围(V-)-0.02(V+)+0.1V安全输入电压范围（V-）-0.5(V+)+0.5V共模抑制比114dB频率响应宽度（-3dB）1kHz输出短路电流25mA容性负载驱动能力500pF工作环境温度范
5、围-40125贮存温度范围-401502. 增益设置方法由内部结构可知，INA326是一个2级放大器，每级的增益分别由R1、R2设置，总增益Au=2R2/R1。外接电阻R1、R2除对增益起决定性作用外，也直接影响放大器的稳定性及温度漂移，在要求精度较高时，应尽量采用低温度系数的精密电阻。另外，连接R1、R2的布线及集成电路插座电阻也会产生增益误差，所以，在要求精度较高时，不能采用插座，要直接焊接，同时应尽量减少1脚与8脚的杂散电容，并将4脚与7脚用电容相连接。外接电阻在+5V单电源或2.5V双电源两种情况下有着不同的最佳配置。R1的最佳值可通过式R1=VIN（max）/12.5A来计算，但在使
6、用中R1不应小于2k，否则会影响电路的稳定性。即总增益设置的条件为Au=2R2/R1，（R12K）3. 典型应用INA326的一种典型应用电路如图2所示。图中OPA551是电压差为60V运算放大器，可实现高达27V的输出。其输出电压Vo可通过RF进行反馈，这样，增益为Au =RF/R1=100。由于INA326中内部电源泵的作用，其5脚的电压值可达VGND20mV，因此，无需在5脚端连接附加的负电源。在该电路中，IB引起的失调电压很微弱，为100pA2k=0.2V。图3是应用INA326设计的精密满幅度电压跟随器。当该电路的输入为高频信号时，应当在电路中接入电容C1，并取C1=100C2。该电
7、路没有CMOS运算放大器常见的N/P输入级跨接效应，因此具有非常好的线性。4. 应用时注意的问题4.1 输入端偏流回路的设置一般来说，选择差分信号测量的工作方式时，后面的信号放大电路一般直接采用仪表放大器构成。仪表放大器的输入阻抗非常高,大约达到1010数量级，相应对于差分输入的每个输入端都需要输入偏置电流通道，以提供共模电流反馈回路，例如仪表放大器INA326输入偏置电流大约为0.2nA。由于仪表放大器的输入阻抗非常高，使得输入的偏置电流随输入电压的变化非常小，对差分信号放大不会产生太大影响。输入偏置电流是仪表放大器输入三极管所必须的电流，电路设计时必须保证偏置电流有接地的回路，如果电路中没
8、有输入偏置电流通道，传感器的输入将处于浮电位状态，而浮电位值很可能超过放大器所能够允许的共模电压范围，使输入放大器饱和而失去放大功能。针对实际的应用情况，输入偏置电流回路设置可以采用三种基本形式，分别如图4、5、6所示。其中4为差分信号源阻抗较高时常用的形式，图中的两个接地电阻相等，以保证较高的共模抑制比和减小偏置电流对失调的影响；图5为信号源阻抗较低时采用的形式（如热电偶）；图6为对称结构常用的形式。从图4、5、6的三种结构可知，在输入通道设置偏置回路是通过在差分输入端与地之间接适当电阻实现的，具体电阻值的大小根据实际情况而定。4.2 输入共模电压范围的设置仪表放大器对共模信号有较强的抑制作
9、用，例如INA326，共模抑制比可高达114dB，但这是在放大倍数、输入共模电压在一定范围内以及输入共模电压的频率较低的条件下才可以达到的。而所放大的差分信号，是指仪表放大器的两个输入端对地所存在的差值。图7是一个典型的惠斯通电桥应用电路，桥路供电电压为10V，桥臂电阻如图7中所示。根据其中的条件可以得到共模电压值为5V，而差模电压的大小为0.005V，经过仪表放大器差分运算后输出为对地的单端信号。其中共模电压由于仪表放大器的高共模抑制比而不能通过，放大的是两输入端的差模电压。仪表放大器抑制的共模信号既可以是交流信号也可以是直流信号，但这是受一定条件限制的，并非任何情况下的共模信号通过时都有同
10、样的抑制比，选择时应注意相应的应用范围。其一，输入共模电压的范围与供电电压有关，在输入共模电压大约小于供电电压1.25V左右时，才有较理想的抑制比。一般仪表放大器的供电电压允许在很大的范围内变化，在一定的应用场合下，如果共模电压较大时，相应仪表放大器要选择较高的供电电压才能获得理想的效果。如图7中共模电压为5V，则仪表放大器的电源电压应为6.25V以上，否则不能将仪表放大器作为前置信号放大级。其主要原因是仪表放大器的前面一组放大器A1、A2容易饱和。其二，输入共模电压抑制能力与共模电压的频率相关，频率越高，抑制效果越差。其三，共模电压的抑制能力与增益大小相关，在低增益工作段，共模抑制能力较差；
11、在1000左右的放大倍数，共模抑制能力较好。需要特别注意的是，有时当输入共模电压超过其允许的范围时会出现输出似乎正常的情况，这主要是由于A1、A2放大器输出饱和导致A3放大器测得的输出为零造成的。例如，当两个差分输入端电压超过A1、A2的共模输入所允许的范围时，将造成共模抑制比急剧下降，共模信号会有输出，但由于A1、A2饱和，使其输出电压相等，最后使整个放大器共模输出电压为零，给人们造成似乎正常的错觉。智能化传感器中应用仪表放大器时应注意的问题中国科学院智能机械研究所（传感器技术国家重点实验室 合肥230031） 吴仲城摘 要 在智能化传感器系统中广泛采用多路开关和仪表放大器构成信号放大处理电
12、路，放大差分信号的仪表放大器在设计使用过程中应考虑到输入共模信号的范围、输入偏置电流回路设置、增益的选择、调零、滤波等因素，以及所选择的信号输入方式。针对这些问题进行了较详细的讨论，并指出仪表放大器在未来嵌入式智能网络化的传感器设计中有十分广阔的用途。 关键词 仪表放大器 差分信号 单端信号 1 序言 仪表放大器（IA）由于其本身所具有的低漂移、低功耗、高共模抑制比、宽电源供电范围及小体积等一系列优点，在数据采集系统、电桥、热电偶及温度传感器的放大电路中得到了广泛的应用，它既能对单端信号又能对差分信号进行放大。在数据采集系统中，一般需要实现对多路信号进行数据采集，这主要是通过多路开关来实现对多
13、路信号的切换。实际应用中，针对不同的测量对象可以分别选择单端信号或差分信号的输入方式来实现对信号的获取，一般市场上所有的多路信号采集系统基本上都具备这种功能。 差分仪表放大器具有对差分信号进行放大，对共模信号加以抑制的功能，但是并非所有差分信号输出的场合可以直接使用仪表放大器作为前置信号放大级，具体来说必须考虑到共模信号的大小、差分信号的大小、放大倍数的选择、输入信号的频率范围等因素，同时针对输入信号的具体情况可以选择单端信号输入方式或者差分信号输入方式。下面对仪表放大器在实际应用中所涉及到的这些问题分别加以阐述。2 仪表放大器的结构 仪表放大器一般是由三个放大器和经过激光调阻修正的电阻网络构
14、成，如图1所示。在传统的三片运放方式的基础上做一些改进，内部阻值的校准保证用户只需要外接一个电阻即可实现由1到上万倍的增益精确设定，减少了由于增益相关误差带来的数据采集误差，同时这种结构保证其具有高输入阻抗和低输出阻抗，且每一路输入都有输入保护电路以避免损坏器件。由于采用激光调阻，使其具有低失调电压、高共模抑制比和低温漂。 图1所示为BB（Burr Brown）公司的INA114、INA118等仪表放大器的结构原理框图及引脚。在实际应用时，正负电源引脚处应接滤波电容C，以消除电源带来的干扰。5脚为输出参考端，一般接地。实际应用中即使5脚对地之间存在很小的电阻值，也将对器件的共模抑制比产生很大的
15、影响，如5欧姆的阻值将导致共模抑制比衰减到80dB。图1 仪表放大器的结构原理框图3 应用中应考虑的问题3.1 输入偏置电流回路 一般来说，选择差分信号测量的工作方式时，后面的信号放大电路一般直接采用仪表放大器构成。仪表放大器的输入阻抗非常高,大约达到1010数量级，相应对于差分输入的每个输入端都需要输入偏置电流通道，以提供共模电流反馈回路，例如仪表放大器IN118输入偏置电流大约为5nA。由于仪表放大器的输入阻抗非常高，使得输入的偏置电流随输入电压的变化非常小，对差分信号放大不会产生太大影响。输入偏置电流是仪表放大器（IA）输入三极管所必须的电流，电路设计时必须保证偏置电流有接地的回路，如果
16、电路中没有输入偏置电流通道，传感器的输入将处于浮电位状态，而浮电位值很可能超过放大器所能够允许的共模电压范围（其值与放大器的供电电压相关），使输入放大器饱和而失去放大功能。针对实际的应用情况，输入偏置电流回路设置可以采用三种基本形式，分别如图2所示。其中(a)为差分信号源阻抗较高时常用的形式，其中的两个接地电阻相等，以保证较高的共模抑制比和减小偏置电流对失调的影响；（b）为信号源阻抗较低时采用的形式（如热电偶）；（c）为对称结构常用的形式。 从图2的三种结构可知，在输入通道设置偏置回路是通过在差分输入端与地之间接适当电阻实现的，具体电阻值的大小根据实际情况而定。3.2 输入共模电压范围仪表放大
17、器对共模信号有较强的抑制作用，例如INA114，共模抑制比可高达120dB，但这是在放大倍数、输入共模电压在一定范围内以及输入共模电压的频率较低的条件下才可以达到的。图2 输入共模偏置电流通道设置的几种形式图3 共模电压与差模电压而所放大的差分信号，是指仪表放大器的两个输入端对地所存在的差值。图3是一个典型的惠斯通电桥应用电路，桥路供电电压为10V，桥臂电阻如图3中所示。根据其中的条件可以得到共模电压值为5V，而差模电压的大小为0.0144V，经过差分IA后输出为对地的单端信号。其中共模电压由于IA的高共模抑制比而不能通过，放大的是两输入端的差模电压。仪表放大器抑制的共模信号既可以是交流信号也
18、可以是直流信号，但这是受一定条件限制的，并非任何情况下的共模信号通过时都有同样的抑制比，选择时应注意相应的应用范围。其一，输入共模电压的范围与供电电压有关，在输入共模电压大约小于供电电压1.25V左右时，才有较理想的抑制比。一般仪表放大器的供电电压允许在很大的范围内变化，如INA114，INA118等在2.25V到18V内都可以使用，在一定的应用场合下，如果共模电压较大时，相应仪表放大器要选择较高的供电电压才能获得理想的效果。如图3中共模电压为5V，则仪表放大器的电源电压应为6.25V以上，否则不能使用仪表放大器作为前置信号放大级。其主要原因是IA的前面一组放大器A1、A2容易饱和。其二，输入
19、共模电压抑制能力与共模电压的频率相关，频率越高，抑制效果越差。其三，共模电压的抑制能力与增益大小相关，在低增益工作段，共模抑制能力较差；1000左右的放大倍数，共模抑制能力较好。INA114、INA118基本上在1MHz频率范围内的共模抑制能力都能够达到80dB左右。特别需要注意的是，有时当输入共模电压超过其允许的范围时会出现输出似乎正常的情况，这主要是由于A1、A2放大器输出饱和导致A3放大器测得的输出为零造成的。例如，对于上面提到的INA114，当两个差分输入端电压超过A1、A2的共模输入所允许的范围时，将造成共模抑制比急剧下降，共模信号会有输出，但由于A1、A2饱和，使其输出电压相等，最
20、后使整个放大器共模输出电压为零，给人们造成似乎正常的错觉。3.3 差分放大器的差模放大倍数 此器件的差模放大倍数由1、8脚之间的外接电阻Rg决定（见图1），以INA114为例，放大倍数可按下面公式计算(1) 其中50kW 为放大器A1、A2的反馈电阻之和，并且这两个电阻都经过激光调阻修正，以保证精度和温度系数满足使用要求。实际上外接增益调整电阻对放大器的增益精度和温漂影响较大，必须选择温度系数小的高精度电阻。需要强调的是，从上述的增益计算公式中可以看出，对小信号放大需要较大增益时，电阻Rg值较小，如2000倍的增益对应的Rg值为25.01欧姆。如果线路中的电阻与之可比拟，则对放大倍数影响很大，
21、会带来增益误差，在某些情况下，甚至造成增益的不稳定，影响测量精度。因此对于弱信号比较理想的选择是采用多级放大的方式，尽量避免使用放大器的高增益段。同时必须注意外接电阻Rg实际上是引脚1和8之间的阻抗，为了减小增益误差应避免与Rg串联较大的寄生电阻。为了减小增益漂移，外接电阻的温度系数必须很低。 另外增益的大小与被测信号频率高低关系极大。以INA114为例，根据该器件的增益带宽积指标，当输入信号频率在1kHz时，增益大小不能超过1000倍；当输入信号频率为10kHz时，则增益值不能超过100倍。3.4 调零 仪表放大器一般都通过激光调阻，在通常应用情况下，其本身不存在零点的漂移，但是在应用传感器
22、的数据采集系统中需要对传感器的信号进行A/D转换，即将传感器的信号转换为A/D输入的标准电平，故需要零点调整。调整功能的实现是通过改变仪表放大器的参考电压实现的，放大器A3的实际输入电压等于放大器A1、A2放大后的电压加上参考电压。在实际应用中必须注意参考电压的获取，因为参考端对地的阻抗将影响放大器的共模抑制比，理想的情况是选择低内阻的恒压源作参考电压。与一般调零电路不同，这里可以在普通的调零电路基础上增加一电压跟随器来实现低阻抗的基准电压源。 对于仪表放大器来说，当负载与信号源系统之间地电位不能精确相等时，通过参考端来调零将简化后续电路。在参考端所加调零电压的范围必须在小于电源电压2V以内，
23、且考虑到获取最佳的共模抑制比，寄生电阻同样必须限制到最小值，尽量接近零电阻。因为任何较大的电阻（包括印刷电路布线或其它原因引起的电阻）都将使共模抑制调整失去平衡。3.5 输入方式、输入保护及前置差分滤波器 1. 输入方式选择 如果数据采集系统的可用通道数不影响信号的采集，应根据信号源的特性来选择输入方式。如果多路输入信号存在一公共端（共地），选择单端输入方式基本可以满足要求，否则选择差分方式。对于选择差分信号输入，必须考虑到上面提到的一些问题：共模电压范围、工作频率等，当不满足上面提到的条件时，应选择其它的放大器作为数据采集系统的前置放大级，例如OP07系列。 2. 输入保护 在电路设计中，还
24、必须考虑到输入电路的保护。尽管仪表放大器内部都有过载保护电路，但它有一定的范围，而在很多的应用场合下，信号源的供电电压和芯片供电电压不一致，当信号源（例如传感器）出现故障时可能引起信号源的电压直接加在放大器的输入端，当超过允许范围时会损坏放大器。不同厂家提供的仪表放大器，保护范围是不一样的，BB公司提供的INA11 具有40V的对地保护电压，而AD公司产品保护的范围要小一些，一般需要设计外接的保护电路，具体可以参见相应产品的设计手册。 3. 前置差分滤波器 在使用仪表放大器的数据采集系统中，当多个信号源的频带不一致的时候，差分信号相互之间存在干扰，这时需考虑滤波器的设计。单端方式输入时，相关滤
25、波器的设计方法介绍较多，可参见相应的资料。对于差分输入存在差分干扰的情况，当干扰信号超过有用信号时，必须考虑设计差分滤波器。差分滤波器必须满足差分输入差分输出，具有高的共模抑制比及低输出阻抗。另外使用差分滤波器还可以增加仪表放大器所允许的共模输入电压范围，图4是一个简单的由阻容元件构成的一阶差分滤波器，其中电阻R1=R2，C1=C2。滤波器的频率特性由RC确定。图中Vdi表示差分输入信号，Vdo表示差分输出信号，将滤波器看成一四端网络，则系统满足如下关系：(2)图4 一阶差分滤波器式中H（jw ）为滤波器传输函数。 目前仪器仪表技术已朝着网络化、虚拟化的方向发展，随着各种现场总线及总线接口标准
26、的实施，这种趋势的发展速度将越来越快，而作为其最底层的传感器/执行器本身的智能化是构成这种技术的基础。由于仪表放大器本身所具有的优越性，使其在传感器信号处理中得到了广泛的应用，它将有效地减小传感器信号处理电路所占用的空间，对于构成嵌入式智能传感器有着十分重要的意义。参 考 文 献1 Precision Instrumentation Amplifier INA114/118 Data Sheet. Burr-Brown Corporation, 19932 Pred Schraff. Choosing differential or single-ended measurements for
27、data acquisition systems. Sensors, 1999.63 Gains Programmable Instrumentation Amplifier AD625 Data Sheet. Analog Device Corporation, 19964 吴仲城，虞承端. 嵌入式智能传感器的设计. 安徽省仪器仪表, 99年会，1999.115 吴仲城，虞承端. 网络智能化变送器的设计. 中国仪器仪表基于仪表放大器的传感器信号采集电路设计1 引言传感器及其相关电路被用来测量各种不同的物理特性，例如温度、力、压力、流量、位置、光强等。这些特性对传感器起激励的作用。传感器的输出
28、经过调理和处理，以对物理特性提供相应的测量。数字信号处理是利用计算机或专用的处理设备，以数值计算的方式对信号进行采集、变换、估计与识别等加工处理，从而达到提取信息和便于应用的目的。仪表放大器具有非常优越的特性，能将传感器非常微弱的信号不失真的放大以便于信号采集。本文介绍在一个智能隔振系统中，传感器数据采集系统具有非常多的传感器，而且信号类型都有很大的差别的情况下如何使用仪表放大器将传感器信号进行调理以符合模数转换器件的工作范围。2 仪表放大器在传感器信号调理电路中的应用 仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器，他具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。差分放大器和仪表放大器所采
29、用的基础部件(运算放大器)基本相同，他们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定；而差分放大器和仪表放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑制比(CMR)。他们通常不需要外部反馈网络。仪表放大器是一种具有差分输入和其输出相对于参考端为单端输出的闭环增益单元。输入阻抗呈现为对称阻抗且具有大的数值(通常为109或更大)。与由接在反向输入端和输出端之间的外部电阻决定的闭环增益运算放大器不同，仪表放大器使用了一个与其信号输入端隔离的内部反馈电阻网络。利用加到两个差分输入端的输入信号，增益或是从内部预置，或是通过也与信号输
30、入端隔离的内部或外部增益电阻器由用户设置。典型仪表放大器的增益设置范围为11000。仪表放大器的特点：(1)高共模抑制比共模抑制比(CMRR)则是差模增益(Ad)与共模增益(Ac)之比，即：CMRR=20lg(Ad/Ac)dB；仪表放大器具有很高的共模抑制比，CMRR典型值为70100 dB以上。(2)高输入阻抗要求仪表放大器必须具有极高的输入阻抗，仪表放大器的同相和反相输入端的阻抗都很高而且相互十分平衡，其典型值为1091012 低噪声由于仪表放大器必须能够处理非常低的输入电压，因此仪表放大器不能把自身的噪声加到信号上，在1 kHz条件下，折合到输入端的输入噪声要求小于10 nV/Hz。(3
31、)低线性误差输入失调和比例系数误差能通过外部的调整来修正，但是线性误差是器件固有缺陷，他不能由外部调整来消除。一个高质量的仪表放大器典型的线性误差为0.01%，有的甚至低于0.0001%。(4)低失调电压和失调电压漂移仪表放大器的失调漂移也由输入和输出两部分组成，输入和输出失调电压典型值分别为100 uV和2 mV。(5)低输入偏置电流和失调电流误差双极型输入运算放大器的基极电流，FET型输入运算放大器的栅极电流，这个偏置电流流过不平衡的信号源电阻将产生一个失调误差。双极型输入仪表放大器的偏置电流典型值为1 nA50 pA,而FET输入的仪表放大器在常温下的偏置电流典型值为50 pA。(6)充
32、裕的带宽仪表放大器为特定的应用提供了足够的带宽，典型的单位增益小信号带宽在500 kHz4 MHz之间。具有“检测”端和“参考”端仪表放大器的独特之处还在于带有“检测”端和“参考”端，允许远距离检测输出电压而内部电阻压降和地线压降(IR)的影响可减至最小。为了有效地工作，要求仪表放大器不仅能放大微伏级信号，而且还能抑制其输入端的共模信号。这就要求仪表放大器具有很大的共模抑制(CMR)：典型的CMR值为70100 dB。当增益提高时，CMR通常还能获得改善。3 电流型传感器数据采集系统结构图 图1示出420 mA电流型传感器的信号如何连接到16 bit Simultaneous ADC AD76
33、56。420 mA传感器的信号是单端的。这一开始就提出了需要1只简单的分流电阻器以便把电流转换成电压加到ADC的高阻抗模拟输入端。然而，回路(到传感器)中的任何线路电阻都会增加与电流相关的失调误差。因此必须差分地检测该电流。在本系统中，1只24.9 的分流电阻器在AD627的输入端产生介于100 mV(对应4 mA输入)与500 mV(对应20 mA 输入)之间的最大差分输入电压 在不存在增益电阻器的情况下，AD627把该500 mV输入电压放大5倍达到2.5 V，即ADC的满度输入电压。4 mA的零点电流对应于代码819，1 LSB对应0.61 mV。整个系统逻辑都通过CPLD进行控制并与D
34、SP进行数据交换。4 低功耗仪表放大器AD627特点及性能 AD627是一种低功耗的仪表放大器。他采用单、双两种电源供电，并可实现轨-轨输出。AD627在85 uA的电流下即可正常工作，并具有极佳的交流和直流特性。AD627采用工业标准8脚封装，引脚排列图如图2所示。AD627的最大特点是允许用户使用一个外部电阻器来设定增益。AD627的失调电压、失调漂移、增益误差和增益漂移均较低，因此，AD627可将用户系统的直流误差降到最低。由于有较好的高频共模抑制比，AD627可保持最小的高频误差，也正是因为AD627具有较高的CMRR特性(可高达200 Hz)，从而使得传输线干扰和传输线谐波等都被排斥
35、掉了。AD627采用真正的仪用放大器结构，他有两个反馈环。其基本结构和典型的“双运放”仪用放大器类似，只是细节有所不同。另外，AD627所具有的一个“电流反馈”结构，使得AD627具有较好的共模抑制比。AD627的基本电路见图3所示。其中A1与V1，R5构成了第一个反馈回路，通过该回路可在Q1上得到稳定的集电极电流(假设增益设定电阻此时不存在)。电阻R1和R2组成的反馈环可使A1的输出电压和反向端电压相等。通过A2可形成另一个几乎完全相同的反馈环，他可使Q2的电流和Q1相等，同时A2还可提供输出电压。当两个环平衡时，同向端到VOUT的增益为5，A1输出到VOUT的增益为-4，A1的反向端增益是
36、A2增益的1.25倍。AD627差动模式时的增益为1+R4/R3，额定值为5。AD627是通过电阻RG来设定增益的。增益G的设定可按下式确定：G=5+(200 k/RG)可以看出：AD627的最小增益为5(RG=时)，在其增益精确度为0.05%0.7%时，应使用0.1%的外部增益设置电阻以避免全增益误差的较大衰减。另外，增益设置电阻RG的选择可以从标准设置电阻表中选取最接近的值。分并检单双电源供电的轨一轨仪用放大器AD627比分立元器设计的放大器具有较好的直流交流性能，并且可以方便的用外部电阻设定增益，因而是传感器信号检测的较好选择。5 仪表放大器RFI抑制电路设计 微功耗仪表放大器AD627
37、易受RF整流的影响，需要更具鲁棒性的滤波器。AD627具有低输入级工作电流。简单地增加两个输入电阻器R1a和R1b的值或电容器C2的值，会以减小信号带宽为代价提供进一步的RF衰减。由于AD627仪表放大器具有比通用IC(例如，AD620系列器件)更高的噪声(38 nV/Hz)，所以可以使用较高的输入电阻器而不会严重降低电路的噪声性能。为了使用较高阻值的输入电阻器，设计出RC RFI电路，如图4所示。滤波器的带宽大约为200 Hz。在增益为100的条件下，1 Hz20 MHz输入范围内施加1 Vp-p输入信号，RTI最大DC失调漂移大约为400 uV。在相同增益条件下，该电路的RF信号抑制能力(
38、输出端的RF幅度/施加到输入端的RF幅度)优于61 dB。如图4所示：6 差分模拟多路复用器ADG707介绍 ADG707是8 to 1差分输入模拟多路复用器，低导通电阻小到2.5 ，40 ns开关时间，低电压供电+1.8+5.5 V，在视频音频开关，数据保持系统，通信系统等领域有非常广泛的应用。在本系统中使用3.3 V的电压供电，以符合整个系统的电源分配。由于本系统所使用的传感器信号都是小信号能满足ADG707的工作要求。7 AD7656的电路配置 电流型传感器的信号是通过上述仪表放大器调理电路转化为电压信号的，电压型传感器信号可以直接通过运算放大器(例如，AD8021)输入AD7656。本
39、系统使用16 b ADC AD7656，能满足系统的高精度要求，同时系统中所采用的传感器信号的更新频率都比较低，最大不超过20 kHz，而AD7656的采样频率为250 kb/s，显然能满足要求。AD7656可以进行6路同步采样对于扩展传感器的个数提供了非常大的余地。AD7656的电路配置如图5所示：8 结语 设计考虑在仪表放大器的电路设计中，以下一些实际问题需要考虑：(1)AD627的增益是通过改变编程电阻RG实现的。为了使AD627的输出电压增益精确，应使用误差小于0.1% 1%的电阻；同时，为了保持增益的高稳定性，避免高的增益漂移，应选择低温度系数的电阻。(2)由于AD627的输出电压为
40、相对于基准端的电压，为获得较高的共模抑制比，REF引脚应连接于低阻抗点。(3)所有的仪表放大器都能将通带外的高频信号整流；整流后，这些信号在输出中表现为直流失调误差。可以设计一个低通滤波器防止不必要的噪声到达差分输入端。在很多应用中，屏蔽电缆被用来减少噪声；为了在整个频率范围内得到最好的共模抑制比，屏蔽层必须正确连接。在本文中，结合本人的工作实际详细说明了基于仪表放大器的传感器信号调理电路设计，并对容易遇到的问题进行了剖析，从工程的角度提供了一种行之有效的方案。高输入阻抗的轨至轨测量系统的电路实现作者：EEFOCUS文章来源：EEFOCUS点击数： 70更新时间：2007-8-25 基于模数转
41、换器(ADC)的精确测量系统的两个非常理想的特征是输入阻抗高、输入范围宽。本文描述的电路能实现这些性能，它具有输入阻抗超高，输入范围比电源轨高300mV的特性。 这个示例电路将一种热耦和电阻温度传感器(RTD)连接到轨至轨、高输入阻抗ADC简化了精准测量LTC2449高性能-ADC上(图1)。热耦输出的变化很小(每为几十毫伏)，而且如果热耦结的温度比连接热耦到PCB走线的“冷结”的温度更低，则输出为负。 通过比较RTD上的电压和参考电阻RREF上的电压来测量RTD，可提供高精度的电阻比较，且无需增加精密电流源。如图1所示将传感器接地是一个很好的减少拾取噪声的首要方法。然而，这个ADC必须能处理
42、非常接近或者稍稍大于电源轨的输入信号，就像LTC2449一样。 图1：在这个热耦合测量电路中，ADC通过MUXOUT引脚将模拟输出连接到外部缓存器中以提供很高的输入阻抗。 ADC的模拟输入信号连接到器件的MUXOUT引脚，一个外部缓冲器将这些信号与开关电容ADC的输入信号隔离开来。外部缓冲器为精密 CMOS双运放LTC6241，它使得从多路器到模拟输入为高阻抗。这种方法明显优于集成缓冲器，因为只要缓冲器电源合适，这种方法的模拟输入便为真正的轨对轨。 LTC6241具有轨对轨输出级，以及一直从负电源到低于正电源1.5V范围的共模输入范围。因为没有轨对轨放大器可以真正将其输出拉升到电压轨，所以它采
43、用LT3472升压/反相调节器，通过5V LTC2449电源产生1.25/7V的运放电源(图2)。调节器可以为多个放大器和其它真正需要摆幅达到轨的电路提供足够电流。 图2：升压/反相调节器电路利用ADC的+5V电压，并为缓冲器放大器提供双电压电源。 此外，LT3472的1.1MHz开关频率接近LTC2449数字滤波器阻带的中点。当使用内部转换时钟时，阻带的中点为900kHz，并与所选的速度模式无关。放大器的0.01F电容负载和补偿网络使ADC具有一个“电荷池”，以平衡 ADC的采样电流，而2.5k反馈电阻则用来保持直流精度。 作者：Mark Thoren Email: 混合信号应用工程经理 新
44、型脑电信号放大检测电路的设计 发表于 2008/3/27 16:39:20 摘要： 通过对前置放大器等电路结构的精心设计，选用超低噪声的集成运算放大器以及线性光耦合器等新器件，克服了脑电信号采集中常遇到的一些困难，使前置放大器具有较高的共模抑制比，从而能够较好地放大检测出的脑电信号。通过Pspice仿真软件，有助于电路的设计和调试。关键词：脑电信号；前置放大器；线性光耦；共模抑制比；抗干扰 1 引言 脑电信号(EEG是由脑神经活动产生并且始终存在于中枢神经系统的自发性电位活动，含有丰富的大脑活动信息，是大脑研究、生理研究、临床脑疾病诊断的重要手段。通过对脑电信号进行记录，以提供临床数据和诊断的
45、依据。因此脑电信号的提取具有非常重要的临床意义。2 设计时常遇到的技术困难 (1)脑电信号十分微弱，一般只有50V左右，幅值范围为5V100 V。因此它要求放大增益比一般仪器要高得多； (2)脑电信号频率低，其范围一般在0.5 Hz35Hz，这使得放大器的低频截止的选择非常困难，当受到尖峰脉冲干扰或导联切换的时候，放大器容易出现堵塞现象； (3)存在工频50 Hz和极化电压等强大的背景干扰。其中工频50Hz干扰主要以共模形式存在，幅值较大，所以脑电信号放大器必须具有很高的共模抑制比。而极化电压干扰的存在使得脑电放大器的前级增益不能过大； (4)由于人体是一个高内阻信号源，内阻可达几十千欧乃至几
46、百千欧，而且它的内阻抗既易于变化，又可能各支路不平衡，所以，脑电信号放大器的输入阻抗必须在几兆欧以上。 可见，要设计出高质量的脑电信号放大器，要求前置放大器必须具有输入阻抗高、共模抑制比高(CMBR)、噪声低、非线性度小、抗干扰能力强以及合适的频带 和动态范围等性能，这使得放大器的设计存在较大的困难，但这也是整个脑电信号采集系统设计能否成功最重要的关键性的一个环节。3 信号放大检测电路设计 脑电信号放大检测电路如图1所示。由该图可知，该部分主要由缓冲级、前置差分放大电路、50 Hz工频陷波电路、电压放大电路、低通滤波器电路、电平调节电路、线性光耦合电路等组成。 在人体和脑电前置放大器之间设置缓
47、冲级主要是为了实现更高的输入阻抗，电平调节电路是为了满足A/D转换器输入量程的需要。3.1 前置差分放大电路3.1.1 电路组成及特性 前 置放大是整个脑电图仪的关键环节。本设计在“三运放”的基础上，通过采用新型的电路结构，巧妙地利用了仪器放大器共模抑制比与增益的关系(见表1)，并结 合阻容耦合电路、共模驱动技术、浮地跟踪电路等，可以在抑制直流干扰的情况下提供较高的共模抑制比，具有对外围无源器件参数不敏感的特点。具体电路设计见 图2。 UlA、UlB构成并联型双运放仪器放大器，在运算放大器为理想的情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大，且其共模抑制比与外围电阻的匹配程度无关。该部分电路具有提高输入阻抗和提供电压缓冲的作用。 阻容耦合电路由C1、C2、R6、R7等构成，主要起隔离极化直流信号的作用，为后级仪器放大器提高增益，进而