传感器及小信号放大技术

第六章传感器及小信号放大技术,问题的提出：,实际测试工作中，会用到各种测试仪器，如应变测试就主要采用应变仪。其他有些仪器也可以完成，但不是价格贵，就是使用不方便（如高精度数字万用表、高精度惠斯顿电桥）。应变仪电路是小信号放大电路，有些传感器的输出信号并不小，但要高精度测了，仍需要性能好的放大器。,正确使用放大器尤为重要,6.1运算放大器性能特点,1.通用运放,典型器件：常用的有LM358（2路）,LM324（4路）,LM324,LM358,图6.1LM324的引脚排列,特点：共模抑制比较高，开环增益大，驱动能力大，综合性能比较好,介绍几种运算放大器,（1）单双电源供电：330V或1.5V15V（2）输入偏置电流：20nA（3）输入失调电流：2nA（4）直流开环增益：100dB（5）单位增益时工作频率大于1MHZ（6）驱动电流可达10mA,LM358/LM324的性能特点：,使用时应注意的事项：,（1）信号输入/输出的电压范围，正负不对称单电源：输入电压范围-0.3VVCC-2V：输出低电压5mV（最大205mV）高电压VCC-1.5V双电源：输出-VCCVCC-1.5V（2）单电压供电时，虚地电压可设在输出摆幅的中点附近,2.场效应运放,特点：输入阻抗高大，输入偏置电流小，工作频率高，驱动能力差，价格较高。输出驱动能力通常比通用运放差，用于驱动输出时，不建议选用场效应运放,图6.3作比较器用时CA3140与TTL逻辑的接口,典型器件有TL081（1路）、TL082（2路）、TL084（4路）、CA3140/3140A,（1）双电源供电：4V18V，建议不使用15V以上输入电压范围：15V输出电压范围：电源电压1.5V,正负对称（2）输入偏置电流：极小，不超过1nA（3）工作频率较高：单增益可达3MHZ（4）无输出驱动时，电源电流仅1.4mA,TL081/082/084的性能特点：,（1）单电源供电：4V36V，也可使用双电源输入电压范围：单电源供电时，最低为负电源下0.5V（2）输入阻抗高达1.5T（3）输入偏置电流仅为10pA,CA3140/3140A的性能特点：,可用作电压比较器,CA3140的应用,用CA3140组成高稳定度直流电源,图6.4用CA3140组成高稳定度直流电源,CA3086二极管、三极管阵列，,CA3086为电路提供电压基准2N6385电压采样,D2201电流采样，管压降随电流值变化，经放大驱动STROBE选通端，控制驱动输出关断,1.3低噪声低漂移运放,特点：高精度、低噪声、低漂移。多用做仪用放大器。噪声对12b以上分辨率的A/D转换电路的影响是致命的。对直流放大电路而言，温度漂移必须限制在很小的范围之内。典型器件：OP07/27/37、0P184单/284双/484四路,（1）电源电压：3V18V（2）输入失调电压温度系数仅为0.7uV/0.2uV（3）适于静态工作。在0.110HZ时，等效输入噪声电压仅为0.38uV/0.3uV（4）单增益带宽0.6MHZ/3MHZ（5）单电源供电时，满摆输出，最低工作电压可低至1.5V,OP07/OP184/284/484的性能特点：,用OP284组成的3V供电低噪声仪用放大器,（1）高输入阻抗（2）低噪声,图6.5用OP284组成的3V供电低噪声仪用放大器,C1、C2抑制噪声低噪声,RP1、RP2输入保护,1.4宽频带运放,典型器件：CA3140、OP27/37（8MHZ),频率一般在几MHz以上,特点：对噪声、温度稳定性等指标要求不高。,应用场合：信号源的工作频率较高,1.5满摆输入、输出运放,典型器件：OP184/284/484、0P777单/727双/747四路,（1）在0.110HZ时，等效输入噪声电压仅为0.4uV（2）输出摆幅可达电源-1mV+1mV（3）单电源供电时，满摆输出，最低工作电压可低至2.7V,特点：输入、输出信号的幅度可以接近甚至达到电源电压，节能，可工作于低电压。,0P777单/727双/747四路的特性,仅用单5V供电的满摆输出D/A转换器的例子,图6.6仅用单5V供电的满摆输出D/A转换器,用OP747组成的单电源低功耗仪用放大器,图6.7单电源供电的微功耗仪用放大器,单极性工作，输出电压V0=100(V1-V2),6.2应变测量电路原理,问题提出对于应变测量，采用电阻应变片的电阻变化这一特性，但电阻变化不完全由应变变化引起。将电阻阻值转换为电压信号后，由于基数很大已不能作大倍数的放大。所以影响精度。最理想的测试电路是惠斯顿电桥。它可将微小的电阻变化值转化为电阻的绝对电阻变化值。仅讨论直流供电电桥,1、测量电桥,（1）当R1R4=R2R3时，电桥平衡U0=0V常使用等臂电桥R1=R2=R3=R4（2）电阻不完全相等时，要进行平衡调整。但桥臂电阻的偏差值不能太大，否则会影响测量精度,图6.8测量电桥的平衡调整电路,桥臂由应变片或标准电阻组成平衡,增量与基值相比甚小，忽略高阶分量，且设应变片的灵敏系数为K，i为应变量,若R1=R2=R3=R4,3.等臂电桥的电压输出,2、全桥、半桥与半桥单片测量的温度补偿,全桥测量,半桥测量,半桥单片测量R1处可以接多个，以测量多个点测量点，Rt为公共补偿片,图6.94个电阻均为电阻应变片,图6.10R为标准电阻,图6.11测量电桥的公共补偿,补偿片，仅受温度影响,6.3静态电阻应变仪,静态应变仪用于测量变化缓慢的应变信号动态应变仪用于测量快速变化的应变信号动静态应变仪兼故上述两种测量,1交流供桥、双电桥零读数静态应变仪,图6.12双电桥零读数静态应变仪,供桥电压Uab,不适用于数字化测试,2、数字式电阻应变仪,直流电压：一般23V小阻值应变片（100欧以下），不应使用桥压过高大阻值应变片，可提供较高桥压,图6.13数字式应变仪电路功能框图,3、静态电阻应变仪的应变片公共补偿技术,降低成本,图6.14静态应变仪框图,使用多路切换技术，服务于多个通道,4、静态电阻应变仪重要电路,（1）通道切换电路（2）预平衡调整电路,（1）通道切换部分,半桥切换,必须选用优质触点的继电器,触点电阻不会影响测量精度,但触点电阻的变化会影响,图6.15半桥时的通道切换,全桥切换,触点电阻的变化对测量精度影响不大,图6.16全桥时的通道切换,（2）预调平衡电路：,桥臂上并联电位器,1）桥臂并联电阻2）放大器参考端调零3）放大器失调端调零4）电流注入法5）D/A补偿6）软件调零(20b以上A/D),D/A转换器补偿,预调平衡电路：,图6.17数字式应变仪平衡调整方法之一,6.4动态应变仪,图6.18交流放大动态应变仪（1路）,1.交流供桥动态电阻应变仪,特点：交流供桥对线间电容敏感，抗扰能力较差，信号噪声较大，供桥的交流振荡频率不高，被测信号变化速率不能太大，已很少用。,2.直流供桥动态电阻应变仪,图6.19直流放大动态应变仪（1路）,特点：零漂移低，动态性能优越。,典型产品：AD620AD524AD624。,6.5应变仪基本电路,（1）供桥电路（2）放大电路（3）调零电路（预调整电路）,基本电路主要包括,1、直流供桥电路,分为恒压供桥和恒流供桥，常用恒压供桥电路,（1）集成稳压块电压调整率优于1%，噪声不高，适用于精度要求不高的系统。典型产品如MC7805T,LM317K（2）稳定的电压基准和运放组成对称供桥单端供桥适用于精度要求较高的系统.典型产品LM336,（1）（使用稳压块）,适用于对精度要求不高的场合,图6.20简单直流供桥电路,输入电压815V，输出电压5V，为防止输出短路时烧坏集成块，IC须配有适当的散热快,简单直流供桥电路,（1）使用稳压块,适用于对精度要求不高的场合供桥电压值应根据应变片阻值调整120（2.43V)300以上（1012V),供桥电压可调的电路,图6.21供桥电压可调的简单直流供桥电路,输出电压可调范围1.3V5V,为防止输出短路时烧坏集成块，IC须配有适当的散热快,（2）使用稳定的电压基准,精密对称供桥电路，使共模信号尽可能小,精密供桥电路,VR1:调整供桥电压值；VR2:调整对称性；T1,T2驱动管；T3,T4g过流保护管,图6.22精密对称供桥电路,电路工作电压：8V15V,应用：用于传感器供桥时，使用较高的供桥电压值；用于应变测试时，使用相对价低的供桥电压值缺点：噪声信号偏大，不适合单电源供电,10uF,单电源供电的低噪声直流供桥电路,放大器的共模抑制比很高时，可使用单电源供桥,图6.23单电源供电的低噪声直流供桥电路,2、程控恒压源,提供程控参考电压的常用方法（1）用D/A转换器控制（2）用程控电位器控制,目的：方便供桥电压的调整控制,放大器要选用低噪声、低温漂的D/A转换器的参考电压要低噪声、高稳定性,（1）用D/A转换器控制,图6.24用D/A转换器组成程控恒压源,10uF,+EX,适宜于简单接口：用加减脉冲控制抽头位置，有X9313、AD5220，用于连接不带微处理器的仪器。适宜于计算机接口：用SPI等接口与计算机相连。可用微处理器控制的有AD520X、AD523X(SPI)等,（2）用数字电位器控制,图6.25用数字电位器组成程控恒压源,按使用操作性分数字电位器,可以实现低噪声、低漂移,3、应变仪直流放大电路,根据不同要求，选用不同精度的放大电路,常用方法有,（1）三运放构成的放大器（2）专用仪用放大器（3）3V供电的低噪声仪用放大器,适用于工作频率不高，温漂小，精度要求优于0.1的场合,（1）三运放构成的放大器,图6.27三运放构成的放大器,特点：输入阻抗很高，共模抑制比高，增益与应变片阻值无关,应用时注意电阻配对：R2与R3，R4与R5，R6与R7,（2）专用仪用放大器,（1）增益1、100、200、500，无需外接电阻（2）电压范围6V18V（3）噪声低，增益稳定性好，增益带宽25MHZ,图6.28用AD624组成放大电路,特点：,增益通过短路块JP1选择,适合：传感器单极性工作，放大后信号幅值不大于2V;双极性工作，虚地点压应在2.5V；单电源供电时，输出电压幅值不大于1.5V,图6.30用AD624组成放大电路,（3）3V供电的低噪声仪用放大器,（1）增益100；（2）参考电压端应在2.5V左右；（3）噪声低，增益稳定性好,特点：,4、应变仪的预调平衡电路,1）电位器调零2）电流注入法3）参考端调零4）失调调整端调零,无应变时，检测到的输出信号为0,（1）电位器调零,简单方便，但调整范围较大时，会使得桥路输出灵敏度降低，用于精度要求不高的场合,（2）电流注入法,可改为OP284/OP727等,V01,V02,图6.31电流注入法预调平衡电路,（2）电流注入法,当VIN+-VIN-不等于0时，可调V+,从而使得放大器输出VO=V01-V02=0,D/A转换器控制电流注入法,接电流注入法参考电压端,V0:01.5VAOUT:-0.5V+0.5V,512产生三路模拟信号,图6.33用D/A转换器产生电流注入法预调平衡电路,（3）参考端调零,电压跟随器的作用：,（1）用于平衡调整（2）设置参考端电位在VCC/2附近,图6.32仪用放大器的参考端调零电路,（4）失调调整端调零,（1）电位器调零使桥路输出电压为0,（2）电流注入法用于三运放构成的放大器,（3）参考端调零用于单电源供电的仪用放大器,（4）失调调整端调零用于双电源供电的仪用放大器,（5）D/A补偿法在最后一级放大器输入端加一可调电压,（6）软件记忆法用于20b以上A/D.软件调零,预平衡电路小结,以上4种使放大器输出为0,6.6双恒流源供桥技术,电桥测量应变电路，常采用双恒压供桥方式,当桥臂阻值变化较大时，高阶分量不能忽略，所以会引起输出信号的非线性解决办法是使用恒流源供桥方式,问题：对前面介绍的恒压供桥测试电路，当桥臂电阻阻值变化较大时，恒压供桥会引起输出信号的非线性,1、恒流源供桥的基本电路,（1）双恒流源（2）改进的双恒流源,（1）双恒流源电路,要求:两个恒流源必须对称恒流源稳定性要高,低温漂、低噪声,A）单片测试,R1测试片，R2补偿片B）双片测试,R1、R2均为测试片,当I1=I2时,当R1=R2时,图6.38双恒流源电路,a,b输出经小信号放大输入到A/D,即可得到经温度补偿的应变值,（2）改进的双恒流源,要求A）对UCD、UAB同步转换利用UCD对UAB进行修正B）R3、R4为基准电阻，高精度，高稳定性,修正后，可减小恒流源不对称带来的影响,图6.39改进的双恒流源电路,a,b和c,d输出经小信号放大分别输入到两个A/D。c,d转换结果修正a,d端结果。,（3）双恒流源全桥测试电路,全桥时R1、R2分别由2个应变片串联而成,驱动电流相同时，电桥输出正比于桥臂电阻的阻值,2、不同阻值应变片的供桥电流自动调整,（2）驱动电流：应根据应变片阻值进行调整,恒流源电流可用D/A转换器或数字电位器自动调整,小阻值应变片，应采用大电流120（10mA)大阻值应变片，应采用小电流,（1）驱动电压：最好低于电源电压3V以上,20mA以下的程控恒流源,图6.4020mA以下的程控恒流源,输出驱动能力为30mA，若增大驱动能力，可使用三极管扩流,负载电阻RL1上电流的计算,负载电阻RL1上电流的计算,取R6=5,则VREF2.5时，IL20mA，可用于120应变片,通过改变VREF，调整恒流源驱动电流大小,END,6.7其他典型测量电路,位移传感器LVDT电路热敏电阻测温电路热电偶测温电路,常见传感器电路,1、位移传感器LVDT电路,（1）LVDT线性差动变压器用途：主要测试位移。原理：原边以交流信号激励，经转换后副边输出直流信号。输出电压与铁心位置成线性关系（理想）,输出电压可直接输入到A/D转换或直流电压/电流表,AD698是598的改进型,不仅可以测LDVT,可用于其他交流供桥的传感器,（2）驱动电路文氏振荡器（传统方法）,AD598/698（集成了LVDT驱动/检测电路）,图6.43AD598功能框图,AD598功能原理图,图6.44AD598的接线图,使用A/D598的位移传感器LVDT电路实际接线图,图6.45AD698的接线图,AD698是598的改进型，几乎用于所有型号的LVDT,及其他交流供桥的传感器,图6.46AD698用于电阻电桥、电感电桥或电容电桥接线图,直流型LVDT传感器,使用方便：只需给传感器提供8V12V的直流电源，传感器就会随其铁芯位置输出成线性比例关系的直流信号。使用注意事项：避免使用导磁材料制作LVDT的固定支架；避免LVDT传感器靠近导磁材料否则，传感器的线性度将受很大影响。,2、热敏电阻测温电路,常用元件_铂电阻（准确度很高）（200650常作校准元件）,温度低于0,可用下式提高描述精度,参数由热电阻型号决定,Pt100是指0时的阻值为100，称为标称值,电阻温度特性,t温度时的阻值,0时的阻值,a,b由热电阻型号决定,测量方法,2、热电阻测温电路,恒压供电测量法用于0100测量阻值变化较大时会引起非线性问题恒流供电测量法该方法简单，但需使用分辨率较高的A/D转换器,二线制,三线制,（1）传感器引线不长时，可使用二线制，导线电阻可能引起电桥不平衡,（2）引线较长时，应使用三线制，以便保证电桥平衡,1）恒压供电测量法,图6.47铂电阻的恒压桥二线制测试电路,图6.48铂电阻的恒压桥三线制测试电路,导线电阻,Rt,（1）单恒流源适用于16b以上的-型A/D转换器,（2）双恒流源可用12b以上的A/D转换器,2）恒流供电测量法,注意：电流源电流不能太大，以减小热电阻自身的温升Pt100(1mA).Pt1000(0.5mA),图6.49单恒流源直接测量电路,图6.50双恒流源温度测量电路,用于高精度测量,1）公式法,仅可用于温度大于0的修正计算,实测电路可测得电阻变化率,3、铂电阻测温的软件非线性修正,公式法迭代法查表插值法,公式法适用于能进行浮点运算，且支持开放运算的场合,2）迭代法,温度大于0时,温度小于0时,第一次，按t=0计算，经过45次迭代，650以下的计算精度可达到0.01；经过6次迭代650以下的计算精度可达到0.001,第一次，按t=0计算，经过34次迭代，200以上的计算精度可达到0.001,迭代法适用于能进行浮点运算的场合,3）查表插值法,使用二分法查表：（1）从分度表中取两点R1,R2，取其中点电阻值Rm比较，如果RtRm，则R1取Rm如果RtRm，则R2取Rm重复下去，直到R1,R2为相邻两项（2）利用下面线性插值计算公式求温度值,查表插值法适用于普通定点运算的场合,表6.2为Pt100的分度表，使用表6.2进行温度计算,分度表间隔为1时,4、热电偶测温电路,常用热电偶有多种，都有一定非线性。标准热电偶分度表（1）应采用输入阻抗较高的放大器对热电偶输出信号放大，常用仪用放大器或场效应放大器（2）一般采用软件非线性修正,两种不同成分的匀质导体形成回路时，若两个接触端存在温差，则两个接触端之间会产生热电势不同材料组合的热电势和测温范围不同，都存在一定的非线性，故使用分度表确定温度值,测量端直接测温端,参比端接线端子,热电偶中间温度定律,通常用上式进行温度补偿,1）使用场效应放大器的测温电路,（1）R1用于断线检测，C1降低线路噪声（可取小值或省略）（2）R4应根据热电偶的灵敏度、工作温度范围和满量程输出电压确定,如满量程输出电压5V,测温范围1000，K型热电偶，热电动势为41.269mV,图6.51热电偶基本放大电路,2）使用仪用放大器的测温电路,双电源供电3V,使用仪表放大器性能更稳定,图6.52使用仪用放大器的热电偶测温放大电路,增益电阻,单电源供电5V,图6.53使用单电源供电时的热电偶测温放大电路,增益电阻,5、热电偶冷端的温度补偿,由于测温点到一般的距离教远，为了节省热电偶材料、降低成本，常采用补偿导线将热电偶的冷端延伸到温度比较稳定的控制室,1）补偿导线的使用注意事项,补偿导线与热电偶之间型号要匹配极性不能接错补偿导线与热电偶连接端二者之间的温度差最好不要超过100,2）非线性修正的计算,（1）首先按中间温度定律进行修正计算EAB(t,0)=EAB(t,tn)+EAB(tn,0)（2）然后查表确定热电偶的热端温度,3）室内温度的测量,可选用热电阻、模拟输出温度传感器(AD590)或数字输出传感器等,（1）AD590能提供1uA/K电流输出,测温精度0.5,（2）数字输出传感器可直接与微处理器相连I2C/SPI/1-WIRE,图6.54AD590的基本应用电路,（1）AD594/595具有冷端补偿，非线性修正的仪用放大器,6、热电偶专用集成电路,AD594适用于J型，可测750，输出10mV/，校正精度1和3AD595适用于K型，可测1250，输出10mV/，1和3A