基于虛擬儀器的高精度壓力信號放大系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 微弱信號的放大要求高、難度大，涉及信號放大以及信號放大的穩(wěn)定性及精密度要求。差動(dòng)放大技術(shù)由于具有抑制共模信號而僅放大差模信號、增益高的特點(diǎn)，被應(yīng)用于小信號放大技術(shù)中。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用具有差分放大功能的AD620芯片，放大了應(yīng)變式傳感器的微弱電壓信號，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高精度的要求。采用虛擬儀器技術(shù)對放大后的信號進(jìn)行采集和分析處理，并編寫相應(yīng)的顯示界面。用二階插值法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了電路的精確性。
關(guān)鍵詞 AD620；二階插值；LabVIEW；測力傳感器

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
系統(tǒng)由直流穩(wěn)壓源提供±12 V和±5 V兩種電壓。設(shè)定±12 V供電時(shí)，系統(tǒng)電壓輸出滿量程為5V，傳感器承受靜壓力滿量程為19．6N。滿量程范圍內(nèi)測量時(shí)，靜壓力信號最大絕對誤差9．8×10-3N，相對誤差0．02％。測力傳感器輸出信號經(jīng)放大電路后提供電壓和電流兩種輸出方式。

2 系統(tǒng)硬件電路整體設(shè)計(jì)方案
系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。系統(tǒng)硬件電路主要由LC7012測式力傳感器、AD620儀表放大器、參考電壓源以及電壓調(diào)零電路、信號濾波整形電路和電壓電流轉(zhuǎn)換電路組成。

2．1 壓力測量電路
壓力測量采用LC7012測力傳感器，配以全橋測量電路實(shí)現(xiàn)。LC7012測力傳感器受到壓力作用時(shí)有以下兩個(gè)特點(diǎn)：(1)同樣壓力情況下傳感器應(yīng)變片的應(yīng)變量和電橋的輸出電壓是常量，且與壓力作用在傳感器受力端的精確位置無關(guān)。(2)應(yīng)變片組成的全橋電路的輸出電壓與壓力基本成線性關(guān)系。
LC7012測力傳感器中4片電阻應(yīng)變片粘貼在雙孔梁的應(yīng)變區(qū)，在有靜壓力作用時(shí)，雙孔梁在壓力和系統(tǒng)底盤對雙孔梁的支持力的作用下產(chǎn)生四邊形形變。4片應(yīng)變片以全橋方式接成全橋電路，在供橋電壓的激勵(lì)下，隨壓力不同而輸出不同的微弱電壓信號，放大電路將電橋送來的微弱電壓信號進(jìn)行放大。
全橋式等臂電橋的結(jié)構(gòu)簡單、對稱性強(qiáng)、靈敏度高、各臂參數(shù)一致性好，各種干擾的影響可以相互抵消，比如可以抑制溫度變化的影響，以及抑制側(cè)向力的干擾、較方便地解決測力傳感器的補(bǔ)償?shù)葐栴}。全橋測量電路可使輸出的微弱電壓信號，盡可能地排除由電路本身干擾而引起的誤差，為系統(tǒng)整體精度要求提供最初的保障。
2．2 電壓信號放大電路
為提高電橋輸出的微弱電壓信號的放大精度，信號放大電路選用ADI公司生產(chǎn)的AD620芯片為核心原件，并為其設(shè)計(jì)專門的可調(diào)參考電壓源，以滿足不同電壓源供電對參考電壓的需求和精確放大微弱信號的需求。
AD620是一款低成本、高精度的儀表放大器，僅需一個(gè)外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為1～10 000 dB。且AD620功耗低，最大工作電流為1．3 mA。AD620具有高精度(最大線性度40×10-6)、低失調(diào)電壓(最大50μV)和低失調(diào)漂移(最大0．6μV／℃)的特性，是傳感器接口等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想選擇。
AD620單片結(jié)構(gòu)和激光晶體調(diào)整，允許電路元件緊密匹配和跟蹤，從而保證電路固有的高性能。AD620為三運(yùn)放集成的儀表放大器結(jié)構(gòu)，為保護(hù)增益控制的高精度，其輸入端的三極管提供差分雙極輸入，并采用β工藝獲得更低的輸入偏置電流，通過輸入級內(nèi)部運(yùn)放的反饋，保持輸入三極管的集電極電流恒定，并使輸入電壓加到外部增益控制電阻RG上。AD620內(nèi)部增益電阻以調(diào)整至絕對值24．7 kΩ，因此利用一個(gè)外部電阻便可實(shí)現(xiàn)對增益的精確編程。
增益公式為

AD620放大后的電壓信號可通過濾波整形電路，并經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊用數(shù)碼管以數(shù)字形式顯示。為充分利用和展示虛擬儀器的功能，系統(tǒng)使用LabVIEW設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號采集處理程序和顯示器界面。