（电磁场与微波技术专业论文）非集成化智能传感器系统电磁兼容技术研究.pdf

摘要 摘要 传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门综合技术，是在当代科 学技术领域中，实现信息化的基础技术之一。 传感器智能化是当前传感器技术的主要发展方向之一。传感器智能化所产生 的技术水平飞跃和经济效益提高，已经得到广泛的认识。传感技术和智能技术结合 之后，使传感器由单一功能、单一检测对象向多功能和多变量检测发展，也使传感 器由被动进行信号转换向主动控制传感器特性和主动进行信息处理发展，使传感 器由孤立的元器件向系统化、网络化发展。智能传感器系统因其在功能、精度、 可靠性上较普通传感器有很大提高，已经成为传感器研究开发的热点。 智能传感器系统电路组成复杂，并且是模拟电路与数字电路并存、硬件与软 件相结合，在工业环境下远距离传输模拟或数字信号时，不仅容易受到外界强干 扰，而且系统本身也会产生干扰。为确保智能传感器系统稳定可靠地工作，必须 有效地抑制各种干扰，优化电路设计和软件设计。 本文首先对电磁兼容的基本概念和原理、干扰的要素和传播途径、电磁兼容 标准规范、实现电磁兼容的措施手段等进行介绍，根据传感器及智能传感器的定 义，功能及实现途径，重点分析了非集成化实现的智能传感器抗干扰设计。分析 了智能传感器系统电磁兼容设计转化为单片机、信号调理电路、a d 转换器、电 源、多路开关和印制电路板( p c b ) 等的电磁干扰和抗干扰设计。 针对传感器信号调理电路设计中重点考虑的问题及其应满足的要求，结合飞 思卡尔m p x 2 0 5 0 系列压阻式压力传感器及i c s e n s o r s 公司1 2 1 0 型硅压阻式压力传 感器的信号调理电路设计，并进行相关等效电路仿真，分析了选择具备某些关键 特性的运算放大器构成电路是使传感器系统满足电磁兼容标准的首要条件，最后 根据p c b 电磁兼容设计中所遵循的方案设计、器件选择、布局及布线准则设计了 一般压力传感器信号调理电路印制电路板及m p x 2 0 5 0 传感器专用放大电路印制电 路板。 关键词：智能传感器系统电磁兼容电磁干扰信号调理运算放大器印制电路板 a b s t r a c t a b s t r a c t s e n s o rt e c h n o l o g yi sc o n s i d e r e da sas y n t h e t i c a lo n et or e a l i z ei n f o r m a t i o n d e t e c t i o nw i t l lk i n d so f f u n c t i o n a lm a t e r i a l i ti so n eo f t h eb a s i ct e c h n o l o g i e st or e a l i z e i n f o r m a t i o ns o d e t yi nt h ed o m a i no f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y n o w a d a y s t h es e r i s o ri n t e l l e c t u a l i z a t i o ni so n eo ft h em a i na s p e c t sa b o u tc u r r e n tr e s e a r c ho n s e n s o rt e c h n o l o g y , a n db e c a u s eo ft h i s ，t h el e a po ft e c h n o l o g ya n de n h a n c e m e n to f e c o n o m i cb e n e f i th a v ec o m et r u e s e n s o r sc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e nc h a n g e df r o mt h e s o l ef u n c t i o na n dd e t e c t i o nt om u l t i p u r p o s ea n dt h em u l t i - v a r i a b l e sd e t e c t i o na f t e rt h e s e n s o r t e c h n o l o g y a n d i n t e l l i g e n t o n ew e r eu n i t e d a l s o c o n t r o l l i n g s e n s o r s c h a r a c t e r i s t i ca n dc a r r y i n go nt h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n go ni t so w nw e r ea p p e a r e d ， w h i c hh a v ec h a n g e dt h es e n s o r sc h a r a c t e r i s t i co ft r a n s f o r m i n gs i g n a l p a s s i v e l y m e a n w h i l e ，s e n s o rh a sb e e nt r a n s f o r m e df r o mt h ei s o l a t e dd e v i c et ot h es y s t e m a t i z a t i o n a n dn e t w o r k t h ei n t e l l i g e n ts e n s o rh a sb e c o m et h e h o tt o p i co fr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n ta b o u ts e n s o rt e c h n o l o g y , b e c a u s eo fi t sb e t t e ra p p e a r a n c eo nt h ef u n c t i o n , t h ep r e c i s i o na n dt h er e l i a b i l i t y t h ec i r c u i t so fi n t e l l i g e n ts e n s o rs y s t e ma r ec o m p l e x a n a l o ga n dd i g i t a lc i r c u i t c o e x i s t sa n dh a r d w a r ei sc o m b i n e dw i t l ls o f t w a r ei nt h es y s t e m a n a l o go rd i g i t a ls i g n a l i sv e r ys e n s i t i v et os t r o n gd i s t u r b a n c eo u t s i d ew h e ni ti st r a n s f e r r e df r o ml o n g - d i s t a n c e i ni n d u s t r i a le n v i r o n m e n t ，a l s ot h es y s t e mi t s e l fw i l lp r o d u c ed i s t u r b a n c e i no r d e rt o g u a r a n t e et h ei n t e l l i g e n ts e n s o rs y s t e mt ow o r ks t a b l ya n dr e l i a b l y , e a c hk i n do f d i s t u r b a n c em u s tb es u p p r e s s e de f f e c t i v e l y , a n dt h ec i r c u i ta n ds o f t w a r ed e s i g ns h o u l d b eo p t i m i z e d a tf i r s tt h eb a s i cc o n c e p ta n dt h e o r yo fe m c ，t h ef a c t o r so fd i s t u r b a n c ea n dt h e t r a n s m i t t i n gr o u t e sa n dt h ee m cs t a n d a r d s a r ep r e s e n t e di n t h i sp a p e r t h e nt h e a n t i - j a m m i n gd e s i g no f i n t e l l i g e n ts e n s o rs y s t e mi sa n a l y z e de s p e c i a l l ya f t e rt h ec o n c e p t ， f u n c t i o n sa n dw a y so fm a k i n go fi n t e l l i g e n ts e n s o rs y s t e mh a v eb e e ni n t r o d u c e d t h e e m c d e s i g no fi n t e l l i g e n ts e n s o rs y s t e mh a sb e e nd i s p l a c e db yt h ee l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ea n da n t i - i n t e r f e r e n c ed e s i g no fs i n g l e - c h i pc o m p u t e r , s i g n a lc o n d i t i o n i n g c i r c u i t s ，a dc o n v e r t o r , p o w e rs u p p l y , m u l t i p l e xs w i t c ha n dp c b 1 t t h i sp a p e ra n a l y z e st h em o s ti m p o r t a n tc o n d i t i o nt h a tc o u l dm a k et h es e n s o r s y s t e ms a t i s f yt h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t ys t a n d a r di sc h o o s i n gt h eo p e r a t i o n a l a m p l i f i e r sw h i c hh a v es o m ec e r t a i ne s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i c st oc o n s t i t u t ec i r c u i t s t h e s i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t sa b o u tf r e e s c a l em p x 2 0 5 0s e r i e sa n di c s e n s o r sm o d e l1 2 1 0 s i l i c o np i e z o r e s i s t i v ep r e s s u r es e n s o rw e r ed e s i g n e da n dt h ec o r r e l a t i v ee q u i v a l e n t c i r c u i t sw e r es i m u l a t e di no r d e rt ov a l i d a t et h ec o n c l u s i o n sa b o v e a tl a s tt h ep c bo f c o m n l o np r e s s u r es e n s o rs i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i ta n dm p x 2 0 5 0a m p l i f i e rc i r c u i ta r e d e s i g n e dw h i c ha r ef o l l o w e dt h er u l e so fe m cd e s i g n k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n t s e n s o r s y s t e m ，e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) ，s i g n a lc o n d i t i o n i n g ，o p e r a t i o n a la m p l i f i e r , p r i n t e d c i r c u i tb o a r d 口c b ) i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 易盎! 纠日期：时尹月如日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借闭。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：引币蕊幺铡批在 导师签名：! 魁望! 圣 日期：硼年堆月如日 第一章引言 1 1 背景和意义 第一章引言 现代信息技术的三大基础是信息的拾取、传输和处理技术，也就是传感技术、 通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官”，“神经”和“大 脑”。如果没有“感官”感受信息，或者“感官”迟钝都难以形成高精度、高反应 速度的控制系统。 通常将能把被测物理量或化学量转化为与之有确定关系的电量输出的装置称 为传感器( 也称变换器、换能器、转换器、变送器、发送器或探测器等) ，传感器 输出的信号有不同形式，有电压、电流、频率、脉冲等，以满足信息的传输、处 理、记录、显示、和控制等要求。 传感器的应用遍及军事、科研、工业、农业、商业、交通，环保、医疗、卫 生、气象、海洋、航空、航天和家用电器等各个领域与部门它是生产自动化、 科学测试、计量核算、监测诊断等系统中不可缺少的基础环节【。作为获取信息工 具的传感器，它位于信息系统的最前端。其特性的好坏、输出信息的可靠性对整 个系统质量至关重要。因此为适应系统使用的要求以及现代自动化系统发展的需 要，智能传感器的兴起成为传感技术克服自身落后向前发展的必然趋势之一。由 于传感器是由敏感元件、传感元件和其他辅助件组成，故其本身是一个系统，且 此系统的组成与研究内容随科学技术的发展而不断更新。当前世界传感技术发展 的重要趋势是传感器系统的发展，所谓传感器系统，简言之，即：传感器、计算机 和通信技术的结合。而智能传感器系统是其中的主要研究方向之一 智能传感器是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器1 2 】。其主要 特征就是将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起， 具有一定的人工智能作用。一般认为，智能传感器系统就是采用智能传感器、计 算机技术和通信技术而构成的检测或测控系统。它是国际上正在飞速发展的一项 综合性高新科技，它将对人类社会产生重要而深远的影响。 传感器系统具有工作信号电平低、速度快、元器件安装密度高等特点，且其 通常靠近工作测试现场，因此对环境电磁干扰极为敏感。为确保传感器系统稳定 可靠地工作，电磁兼容性设计已纳入传感器技术基础研究。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 主要研究内容 解决智能传感器系统的电磁兼容问题可归结为对其各组成模块分别进行电磁 兼容性设计，从而使整个系统实现电磁兼容，而传感器工作能够满足相关电磁兼 容标准。 本文首先介绍电磁兼容的基本原理，然后通过介绍传感器的定义和组成自然 过渡到传感器的智能化，即介绍了智能传感器的概念、功能及特点。因为智能传 感器实现的途径主要包括非集成化、集成化和混合实现三种方式，结合课题的背 景和意义，本文侧重于探讨非集成化实现的智能传感器系统的电磁兼容问题。非 集成化实现的智能传感器系统其组成主要包括传统传感器。信号调理电路，a d 转换器，多路开关，微处理器( 或单片机) ，电源以及实现电路搭接的印制电路板 ( p c b ) 。因篇幅所限，本文重点讨论了智能传感器系统中信号调理电路及p c b 的 电磁兼容设计。 详细介绍了信号调理电路的功能组成，为获得适合后续单元处理的较强且可 靠的信号，分析了传感器信号调理电路应满足的基本要求及设计阶段应重点考虑 的问题。 鉴于运算放大器在信号调理电路中的关键作用，着重探讨集成运放电路的噪 声及其抑制措旅，同时介绍了目前信号调理电路中普遍采用的差动放大器和仪表 放大器的电路组成和工作原理。 通过三种压阻式压力传感器信号调理电路的设计，结合可能存在的外部电磁 干扰，进行了相关的电路仿真。 最后根据印制电路板( p c b ) 一般性的电磁兼容设计技术及抑制电磁干扰的相 关措施设计了一般性的压力传感器信号调理电路的印制电路板和m p x 2 0 5 0 传感器 专用放大电路印制电路板。 2 第二章电磁兼容原理 第二章电磁兼容原理 2 1 电磁兼容性的基本概念 2 1 1 电磁兼容 电磁兼容即e m c ( e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ) 是研究在有限的空间、时间和 频谱资源等条件下，各种用电设备( 广义的还包括生物体) 可以共存，并不致引起 降级的一门学科【3 l 。所谓电子设备的电磁兼容性，是指电子设备在预定的电磁环境 中，能按一定设计要求正常工作的性能或能力。其能力包括以下三点：1 ，在给定 电磁环境中，电子设备具有抵御预定电磁干扰的能力，并能留有一定安全余量； 2 ，电子设备不能产生超过规定限度的电磁干扰；3 ，电子设备可按设计的技术要求 完成其预定功能使命。 电磁兼容性设计要求可用下列不等式来说明： 干扰源强度传播衰减因子 设备抗干扰能力 其称为“电磁兼容性不等式”，式中的三个因素可以分别或同时采取措施，使不等 式成立。电磁兼容性设计就是要减小不等式左边两个因子，提高不等式右边的能 力( h p 降低设备对干扰的敏感度) ，使效果最佳并且代价最小。 2 1 2 电磁干扰的三要素和传播途径 所有电磁干扰都是由三个基本要素组合而产生：电磁干扰源、敏感设备、以 及耦合通道。相应的抑制所有电磁干扰的方法也要由这三要素着手解决。 电磁干扰源是指任何产生电磁干扰的元件、器件、设备、分系统、系统或自 然现象。干扰源分为内部干扰源和外部干扰源。内部干扰源是设备装置内部和器 件本身如印制电路板上产生的干扰源；外部干扰源主要有自然干扰和人为干扰， 自然干扰有大气干扰、宇宙干扰和雷电干扰等，人为干扰又可以分为有意发射干 扰和无意发射干扰。如广播、通信、雷达等属于有意发射干扰，而输电线、电气 设备、点火系统等则属于无意发射干扰。 电子科技大学硕士学位论文 耦合途径( 或称传输通道) 是指将电磁干扰能量传输到受干扰设备的耦合通 道。耦合方式一般以传导和辐射两种方式传输，但因为电磁环境十分复杂，实际 的干扰往往是复合情况。典型的电磁干扰传播途径如图2 - 1 。 耦合通道 时间巧合频率巧合 舅z i 传导( 1 g h z ) 以下 。4 j。 蚤瘴囊：。 im 最。 电源线互连线共阻抗、感 “扰； 源：。 ? 设? j 。 一辐射( 9 k h z ) 以上 一 4各 ：。：竺! “ ，感性耦合 r 2 2 ，t 近场感应 2 2 远场辐射 容性耦合 图2 - 1 电磁干扰的传播途径 沿电源线或信号线传输的电磁耦合称为传导耦合，电磁能量沿着导线传输到 其他设备和单元电路而造成干扰。其中包括沿电源线传导的电磁干扰、通过公共 电源内阻的耦合、通过公共地阻抗的耦合。如图2 2 到2 4 。 凡 u 图2 - 2 沿电源线传导的电磁干扰 图2 - 3 通过公共电源内阻的耦合 4 第二章电磁兼容原理 图2 _ 4 通过公共地阻抗的耦合 辐射耦合【4 】是指通过空间传播进入设备的电磁干扰。干扰源的周围空间可划分 为两个区域：紧靠干扰源的区域称为近场区或感应场区；距离大于2 2 ，r 的区域称 为远场区或辐射场区。在感应场区分为电容耦合和电感耦合两种形式。 1 电容性耦合 由电磁场理论可知：如果一个电子系统或设备中的两个导体相距较近，并且 相互之间存在电位差时，则两个导体上的电荷所产生的电场会相互耦合、相互影 响，致使它们的电场都发生变化。 两个导体之间电场耦合的大小取决于导体的形状、尺寸大小、相互位置和周 围介质的性质，而这些因素可以通过两导体之间的分布电容c 的大小得到体现。 由电场理论的分析可求得两导体的电位弭和仍，以及导体的电量q ，并根据公式 c = q u ，可以计算出各种结构的导体之间的分布电容。 ( a )( b ) 图2 - 5 电容耦合模型 图2 - 5 表示电路a 和电路b 通过两根导线间电容c c 引起电容性耦合的情况。 假设电路a 为干扰源电路，u ，为干扰电压，电路b 为敏感接收电路。通过图2 - 5 ( b ) 的等效电路计算可以得到通过电容岛耦合到敏感接收电路的电压u c ： = 兄一r l 弘c u ( 2 - 1 ) 电子科技大学硕士学位论文 式中，r z = r l l r l 2 , 2 主i 2 z 两1 ，将其代入式( 2 _ 1 ) 可得： u c - - 币j 2 庀三f 丽c c r l u(2-2 1 + ，2 硝c ，r ，。 在实际电路中，一般导体之间的耦合电容c c 都很小，：有2 u f c c r z 咫，r f 愈大，因信号源内 阻变化而引起的放大误差就愈小。此外，从传感器所获得的信号常为差模小信号， 并含有较大共模部分，其数值有时远大于差模信号。因此，要求放大器应具有较 强的抑制共模信号的能力。 4 5 2 1 双运算放大器构成的仪表放大器 仪表放大器( 队) 是一种能同时提供高输入阻抗和高c m r r 的差动放大器。此 外，它还具有以下特点：可以用单一电阻器调节的高稳定增益、失调电压和电流 数值低、漂移小以及输出阻抗低。 v r y i 1 7 2 图4 - 5 双运算放大器构成的仪表放大器 如图4 5 所示为由两个运算放大器构成的仪表放大器。将这些运算放大器看成 是理想运算放大器。获得无限大c m r r 的必要条件同样是式( 4 8 ) 表示的条件。于 是，输出电压为 第四章传感器系统信号调理电路设计 2 卜+ 半卜 睁柳 因此，尽管也必须使四个电阻器匹配，但现在兄允许在不影响四个关键电阻器匹 配的情况下对增益进行调节。不过，这样就不可能得到单位增益。这个电路的缺 点是，当共模输入信号很大时，第一个运算放大器有可能饱和。在心 的通常 情况下，避免出现饱和应满足的条件是( 1 + 马丘) p 乙，其中，k 。是运算放大 器的饱和电压。此外，由于存在v l 和v 2 的非对称增益路径，故即使运算放大器和 电阻器完全匹配，共模增益也决不会为零。然而，在1 0 h z 以下，c m r r 仍可能很 大。 4 ，5 2 2 利用三个运算放大器的仪表放大器 如图4 - 6 所示电路是仪表放大器的典型结构。它由全差动放大器和起差动到单 端转换器作用的差动放大器组成。假定三个运算放大器均为理想放大器，那么， 第一级的输出为 k2 h ( 静嘻 2 屹【“割一噜 通过设定v l = 1 ，：，便可求出共模增益为1 。因此，出现饱和的风险要比两运算放大 器式仪表放大器小。第二级给出 v o 一= ( 屹一心) 惫= ( 1 + 百2 r 2 j 、i r 4 ( v z 一叶) = ( 1 + g ) 女( v 2 一v 1 ) ( 4 1 6 ) 式中，g = 2 如r 。由于属不必满足任何匹配条件，故可用局来控制差模增益而 不影响c m r r 。 电子科技大学硕士学位论文 全差动放大器差动放大器 图4 - 6 由三个运算放大器组成的仪表放大器 4 6 压阻式压力传感器系统信号调理电路 4 6 1 压阻式压力传感器工作原理 利用具有压阻效应的半导体材料作为敏感元件，用i s o 技术将半导体材料的 敏感芯片封装在不锈钢波纹膜片的壳体中，在不锈钢波纹膜片和芯片之间充有硅 油。芯片引线穿过壳体引出并采用密封措施，防止硅油向外泄漏或外面的压力介 质渗入其中，这样芯片、硅油、壳体和引线组成压力传感器。当传感器处在压力 介质中时，介质压力作用于波纹膜片上使其中的硅油受压，硅油将膜片上的压力 传递给半导体芯片。芯片受压后其电阻值发生变化，电阻信号通过引线引出。压 阻式压力传感器一般通过引线接入惠斯登电桥中。平时敏感芯片没有外加压力作 用，电桥处于平衡状态( 称为零位) ，当传感器受压后芯片电阻发生变化，电桥将 失去平衡。若给电桥加一个恒定电流或电压电源，电桥将输出与压力对应的电压 信号，这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。 4 6 2 电桥应用电路 现在大部分压力传感器利用制造集成电路的方法，在半导体芯片上用扩散或 离子注入法，形成4 个阻值相等的电阻条，并将它们连接刻制成惠斯登电桥，这 样传感器就能直接输出电压信号。 第四章传感器系统信号调理电路设计 压阻式压力传感器硅芯片上扩散的四个桥臂电阻，一般将其连接成单电桥。 为使电桥电压灵敏度高，对臂的电阻变化方向相同，即将对增加的电阻对接， 将另一对减小的电阻也对接，如图4 7 所示 + 对i 可月一般+ 笆书卫矿衄+ 监rl r 一歙 r + r 硌 ( a ) r + a r i s ( b ) 圈4 - 7 压阻电桥电路 设四个扩散电阻起始值相等且为r 。当有压应力作用时，两个电阻阻值增加分 量为a r ，另外两个电阻阻值减少量为一凡。由于湿度的影响，每个电阻的改变量 分别为a r ，。由图4 7 ( a ) 为电压源激励，电桥输出电压为 ：_ 肇兰坠业一型些l ( 4 1 7 ) ” 尺一衄+ 曲r + r + 衄十监，r + 欲+ 幽，+ r 一曲 、 7 整理后得 u 0 盖 ( 4 - 1 8 ) 如a r ，= o ，即没有湿度影响时，则 u o = 等u s(4-19) “ 由上式可知，电桥输出电压与a r r 成正比，a r r 为应变量，即与外压应变 成正比，另一方面又与供桥电压弧成正比。即电桥输出电压除了与被测非电量成 正比外，同时与电桥供桥电压硌大小和精度有关。当温度改变时，还与温度 有关，如式所示所以对于电压源激励的压阻电桥，当温度变化时，u o 与温度有 关，这是电压源激励电桥的缺点。 电子科技大学硕士学位论文 图4 7 ( b ) 为恒流源供电电桥电路。由于四个扩散电阻起始值相等且为r ，则 电桥两支路电阻相等，即r 脚= r b c d ，则流过这两支路的电流也相等，即 i m 1 8 c d 一圭i o译- 2 0 因此，电桥的输出电压为 u o 。1 i 。僻+ a r + a r r ) 一二1 1 。僻一a r + 屿) ( 4 2 1 ) 经整理后得 udioar(4-22) 电桥的输出与电阻的变化量成正比，也与电流源电流成正比，即输出与电流 源供给的电流大小与精度有关。但是电桥输出电压与温度无关，即不受温度的影 响，这是恒流源供电电路的优点。对于恒流源供电电路，要对多个传感器供电时， 为了得到恒定供电电流，要求一个传感器要配置个电流源，这在使用中是不大 方便的。 4 6 3 一般信号调理电路设计 4 6 3 1 电路组成 压力传感器的信号调理电路如图4 - 8 所示，它主要由压力传感器和放大器组成 i 矧。此处用单臂直流电桥模拟压力传感器，电路中的前置放大器采用i c l 7 6 5 0 s ， 它是i n t e r s i l 公司利用动态校零技术和c m o s 工艺制作的斩波稳零式高精度运算放 大器，具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移 低、性能稳定及价格低廉等优点。后级放大器采用普通运算放大器，此处采用 m a x i m 公司的低噪声、高精度运算放大器m a x 4 2 7 a 。r 2 和c 2 构成噪声滤波器， 截止频率f 一1 幼月c ，可按截止频率为1 0 h z 求出r 2 和c 2 的值。r l 是防止放 大器闭锁而限制输入电流的电阻，对于i c l 7 6 5 0 s 的输入电流要限制在1 0 陬a 以下， 这样，才能保证i c l 7 6 5 0 s 不会闭锁。尺l 和d 1 及d 2 为限幅电路，防止i c l 7 6 5 0 s 输入过大电压。c 8 和c 9 是防止i c l 7 6 5 0 s 振荡的电容。r 1 2 是防止m a x 4 2 7 a 接入 大电容负载时产生振荡的保护电阻。 第四章传感器系统信号调理电路设计 图4 - 8 压力传感器信号调理电路 4 6 3 2ic l 7 6 5 0 斩波稳零运算放大器的原理 i c l 7 6 5 0 是i n t e r s i l 公司利用动态校零技术和c m o s 工艺制作的斩波稳零式高 精度运放5 6 1 。它采用1 4 脚双列直插式和8 脚金属壳两种封装形式，图4 - 9 所示是 最常用的( 亦即本文所用) 1 4 脚双列直插式封装的引脚排列图。各引脚的功能说明 如下： c e x t b ：外接电容c e x t b ； c e x r a ：外接电容c e x t a ； 一矾；反相输入端； + ：同相输入端； v ：负电源端； c p e m ：c e x t a 和c e x t b 的公共端； o u t c 乙w p ：箝位端； o u t p u t ：输出端； v + ：正电源端； c a x - m c t 嚣t j t n c ( g u a r d ) - 1 摊 t l n n c ( g u a r d ) v - 图4 _ 9i c l 7 6 5 0 的引脚排列图 i n t c u u t ：时钟输出端；e x tc l k i n ：时钟输入端； i n t e x t ：时钟控制端，可通过该端选择使用内部时钟或外部时钟。当选择外部 时钟时，该端接负电源端( v 一) ，并在时钟输入端( e x tc l k i n ) 引入外部时钟信 号。当该端开路或接v + 时，电路将使用内部时钟去控制其它电路的工作。 i c l 7 6 5 0 利用动态校零技术消除了c m o s 器件固有的失调和漂移，从而摆脱了 传统斩波稳零电路的束缚，克服了传统斩波稳零放大器的这些缺点 量 电子科技大学硕士学位论文 + 叮 - i n o u t p u t c l a m p 图4 - 1 0i c l 7 6 5 0 的工作原理图 i c l 7 6 5 0 的工作原理如图4 1 0 所示。图中，m a i n 是主放大器( c m o s 运算放 大器) ，n u l l 是调零放大器( c m o s 高增益运算放大器) 。电路通过电子开关的转 换来进行两个阶段工作，第一是在内部时钟( o s c ) 的上半周期，电子开关a 和b 导 通，a 和c 断开，电路处于误差检测和寄存阶段；第二是在内部时钟的下半周期， 电子开关a 和c 导通，a 和b 断开，电路处于动态校零和放大阶段。 由于i c l 7 6 5 0 中的n u l l 运算放大器的增益a o n 一般设计在1 0 0 d b 左右，因 此，即使主运放m a i n 的失调电压v o s n 达到1 0 0 m v ，整个电路的失调电压也仅为 l l x v 。由于以上两个阶段不断交替进行，电容c n 和c m 将各自所寄存的上一阶段结 果送入运放m a i n 、n u l l 的调零端，这使得图4 1 0 所示电路几乎不存在失调和漂 移。可见，i c l 7 6 5 0 是一种高增益、高共模抑制比和具有双端输入功能的运算放大 器。 4 6 4 飞思卡尔m p x 2 0 5 0 系列半导体压力传感器专用放大器 4 6 4 1m p x 系列传感器简介 与传统的惠斯登电桥结构不同，f r e e s c a l e 专利技术采用单个x 型压敏电阻元 件( 如图4 1 l 所示) ，该x 型电阻是利用离子注入工艺光刻在硅膜片上，并采用计 算机控制的激光修正技术和温度补偿技术，使f r e e s c a l e 硅m p x 系列压力传感器 的精度很高，其模拟输出电压正比于输入的压力值和电源偏置电压，具有极好的 线性度，且灵敏度高，长期重复性好 5 5 1 ( 其封装结构如图4 1 2 所示) 。此系列中的 第四章传感器系统信号调理电路设计 m p x 2 0 5 0 d 压力传感器具有片内温度补偿和校正网络，且精度较高其具体工作 特性参数1 5 7 女i i 表4 - 1 所示。 ) 箍蹙 图4 - 1 1x 型传感器结构及外部连接图4 - 1 2 两种不同封装结构的m p x 系列传感器 表4 1m p x 2 0 5 0 系列压力传感器工作特性参数 特性符号最小值典型值最大值单位 压力范围 p o t 05 0 k p a 供电电压 v b 1 01 6v d c 供电电流l o 6 0m a d c 满量程输出v f s s 3 8 5 4 0 4 1 5 m v 零位偏差电压v 。口 i o1 0m v 灵敏度 斟| o 8m v k p a 线性度 0 2 50 2 5 v n s 压力迟滞( 0 5 0 k p a ) _ - - , 0 1 v n s 温度迟滞( - , t o 。c - + 1 2 5 。c ) 0 5 v n s 满量程温度系数t c v f 嚣 1 0l 0 v 零位偏差温度系数 卫c v o f 1 o 1 o j n v 输入阻抗z j 。 1 0 0 02 5 0 0 o 输出阻抗 乙m 1 4 0 03 0 0 0 o 嗨应时间( 1 0 一9 0 ) l r 1 0m s 稳定度 0 5 v f 鹞 4 6 4 2 电路组成原理 如图4 1 3 ，采用具有芯片内部温度补偿和校正的飞思卡尔m p x 2 0 5 0 系列传感 器i 叫( 如图4 1 3 中u 1 ) ，m c 3 3 2 7 4 四运算放大器，分别为图中的u 2 a , u 3 a , u 4 a 和u s a 。 电子科技大学硕士学位论文 u 2 a 对传感器输出信号起主要的放大作用，将其配置成差分放大器，来自传 感器的负输出被u 4 a 隔离，u 4 a 的目的是防止流经r 5 和r 6 的反馈电流流进传 感器。压力为零时传感器2 端到4 端的电压为零。假定共模电压是4 0 v ，则在u 2 a 的1 端的零压力输出电压是4 0 v ，因为任何其他电压将经r 6 耦合回2 端并产生一 个非零偏置跨接在u 2 a 的差分输入。然后，由u 3 a 和u 5 a 把4 0 v 零压力d o 输 出电压电平变换到所希望的零压力补偿电压。考虑电平变换的工作情况，假定r 9 可变电阻阻值为零，u 5 a 的3 端为4 0 v ，其2 端也是4 0 v ，这让4 0 v 跨接在( r 3 + r 9 ) 上，总电阻值为l k o ，因为没有电流流入u 5 a 的2 端，相同的电流流经r 4 即在 r 4 上产生大约4 0 v 电压降，电压叠加在u 5 a 的输出1 端产生8 v 电压。同理在 u 3 a 的3 端的4 0 v 电压值意味着在其2 端的4 0 v 电压值，而r 2 与r 1 上有相等 的压降，而在u 3 a 的输出端电压是0 v 。实际上由r 8 注入到r 9 可变电阻上的电 压近似地变换为d c 补偿。本电路增益近似地等于r 6 r 5 ( r 1 r 2 + i ) ，对于图中所 示的值它预计为1 2 5 ，用结点分析可进行更精确的计算，算得结果为1 2 7 。用标准 的运放增益方程级联u 2 a 和u 3 a 增益给不出一个正确的结果，因为在4 端传感器 的负向差分信号减少了被u 3 a 放大的d c 电平。把补偿设定到0 5 v ，在o 5 至4 5 v 全范围产生一个模拟零。欲使这个d c 输出电压能够不依赖于传感器的共模电压， 必须满足条件r 1 r 2 = ( r 3 + r 9 ) r 4 。 这种接口放大器设计的方法是使用较少电阻的典型仪器放大器的改进，它的 固有特性是更稳定并提供一个零压力输出电压( 目标可订在0 5 v ) ，它具有与典型 仪器放大器相同的来自匹配分立电阻器的容差问题。 第四章传感器系统信号调理电路设计 图4 1 3m p x 2 0 5 0 系列半导体压力传感器专用放大器 4 6 4 3 仿真 如图4 一1 4 ，采用单臂直流电桥模拟m p x 2 0 5 0 系列压力传感器，设一桥臂电阻 r 0 1 阻值在3 9 2 k , q - 4 k q 范围内变化，递增步长为1 6 q ，其余三个桥臂电阻r 0 2 、 r 0 3 和r 0 4 阻值均为4 k , q 且固定不变。根据单臂直流电桥工作原理，当r 0 1 阻值 递增单步长即1 6 f 1 时，理论计算电桥输出电压为8 m v ，最终经放大后输出电压为 1 0 1 6 v 。仿真结果如图4 1 5 所示，可知输出电压在大约0 , - - 5 v 范围内变化。 4 3 电子科技大学硕士学位论文 o 图4 1 4 仿真原理图 6 0 r = 皓“+ 士罅 - - - 写彰叛 一。1 l _ 。 一-一 -。- x #固 t 舯 ：j ：l ： 盐盐基： 一十 一 一 一 _， 越： - l 一 + + - + + + 十一 一 - _ 。1 一4 m - i # 0 0 _ # ；# _ b _ ，i 女- “ _ # k # “* _ # b _ # _ # d # - i # - _ _ h 一 ji ；i ； i ：；：i ： 3 ：9 6 8 ：i ： 2 删 专融* 毒 一3 ；e 8 珥专争群专 i， r q k 0 l u ，o u o ，。u ，o ；u -o s u -o # l o ，o e 0 u t f l 图4 1 5 仿真结果输出 4 6 51 2 1 0 型( 1 c s e n s o r s ) 低压传感器信号调理电路 4 6 5 11 2 1 0 型传感器简介 第四章传感器系统信号调理电路设计 1 2 1 0 型低压传感器【5 8 1 ( 如图4