基于儀表放大器的傳感器信號采集電路設計

　　4 低功耗儀表放大器AD627特點及性能

　　AD627是一種低功耗的儀表放大器。他采用單、雙兩種電源供電，并可實現(xiàn)軌-軌輸出。AD627在85 uA的電流下即可正常工作，并具有極佳的交流和直流特性。AD627采用工業(yè)標準8腳封裝，引腳排列圖如圖2所示。

　　AD627的最大特點是允許用戶使用一個外部電阻器來設定增益。AD627的失調(diào)電壓、失調(diào)漂移、增益誤差和增益漂移均較低，因此，AD627可將用戶系統(tǒng)的直流誤差降到最低。由于有較好的高頻共模抑制比，AD627可保持最小的高頻誤差，也正是因為AD627具有較高的CMRR特性(可高達200 Hz)，從而使得傳輸線干擾和傳輸線諧波等都被排斥掉了。AD627采用真正的儀用放大器結(jié)構(gòu)，他有兩個反饋環(huán)。其基本結(jié)構(gòu)和典型的“雙運放”儀用放大器類似，只是細節(jié)有所不同。另外，AD627所具有的一個“電流反饋”結(jié)構(gòu)，使得AD627具有較好的共模抑制比。AD627的基本電路見圖3所示。其中A1與V1，R5構(gòu)成了第一個反饋回路，通過該回路可在Q1上得到穩(wěn)定的集電極電流(假設增益設定電阻此時不存在)。電阻R1和R2組成的反饋環(huán)可使A1的輸出電壓和反向端電壓相等。通過A2可形成另一個幾乎完全相同的反饋環(huán)，他可使Q2的電流和Q1相等，同時A2還可提供輸出電壓。當兩個環(huán)平衡時，同向端到VOUT的增益為5，A1輸出到VOUT的增益為-4，A1的反向端增益是A2增益的1.25倍。AD627差動模式時的增益為1+R4/R3，額定值為5。AD627是通過電阻RG來設定增益的。

　　增益G的設定可按下式確定：G=5+(200 kΩ/RG)可以看出：AD627的最小增益為5(RG=∞時)，在其增益精確度為0.05%～0.7%時，應使用0.1%的外部增益設置電阻以避免全增益誤差的較大衰減。另外，增益設置電阻RG的選擇可以從標準設置電阻表中選取最接近的值。分并檢單雙電源供電的軌一軌儀用放大器AD627比分立元器設計的放大器具有較好的直流交流性能，并且可以方便的用外部電阻設定增益，因而是傳感器信號檢測的較好選擇。

　　5 儀表放大器RFI抑制電路設計

　　微功耗儀表放大器AD627易受RF整流的影響，需要更具魯棒性的濾波器。AD627具有低輸入級工作電流。簡單地增加兩個輸入電阻器R1a和R1b的值或電容器C2的值，會以減小信號帶寬為代價提供進一步的RF衰減。由于AD627儀表放大器具有比通用IC(例如，AD620系列器件)更高的噪聲(38 nV/Hz)，所以可以使用較高的輸入電阻器而不會嚴重降低電路的噪聲性能。為了使用較高阻值的輸入電阻器，設計出RC RFI電路，如圖4所示。濾波器的帶寬大約為200 Hz。在增益為100的條件下，1 Hz～20 MHz輸入范圍內(nèi)施加1 Vp-p輸入信號，RTI最大DC失調(diào)漂移大約為400 uV。在相同增益條件下，該電路的RF信號抑制能力(輸出端的RF幅度/施加到輸入端的RF幅度)優(yōu)于61 dB。如圖4所示：

　　6 差分模擬多路復用器ADG707介紹

　　ADG707是8 to 1差分輸入模擬多路復用器，低導通電阻小到2.5 Ω，40 ns開關時間，低電壓供電+1.8～+5.5 V，在視頻音頻開關，數(shù)據(jù)保持系統(tǒng)，通信系統(tǒng)等領域有非常廣泛的應用。在本系統(tǒng)中使用3.3 V的電壓供電，以符合整個系統(tǒng)的電源分配。由于本系統(tǒng)所使用的傳感器信號都是小信號能滿足ADG707的工作要求。

　　7 AD7656的電路配置

　　電流型傳感器的信號是通過上述儀表放大器調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為電壓信號的，電壓型傳感器信號可以直接通過運算放大器(例如，AD8021)輸入AD7656。本系統(tǒng)使用16 b ADC AD7656，能滿足系統(tǒng)的高精度要求，同時系統(tǒng)中所采用的傳感器信號的更新頻率都比較低，最大不超過20 kHz，而AD7656的采樣頻率為250 kb/s，顯然能滿足要求。AD7656可以進行6路同步采樣對于擴展傳感器的個數(shù)提供了非常大的余地。AD7656的電路配置如圖5所示：

　　8 結(jié)語

　　設計考慮在儀表放大器的電路設計中，以下一些實際問題需要考慮：

　　(1)AD627的增益是通過改變編程電阻RG實現(xiàn)的。為了使AD627的輸出電壓增益精確，應使用誤差小于0.1% ～1%的電阻；同時，為了保持增益的高穩(wěn)定性，避免高的增益漂移，應選擇低溫度系數(shù)的電阻。

　　(2)由于AD627的輸出電壓為相對于基準端的電壓，為獲得較高的共模抑制比，REF引腳應連接于低阻抗點。

　　(3)所有的儀表放大器都能將通帶外的高頻信號整流；整流后，這些信號在輸出中表現(xiàn)為直流失調(diào)誤差?？梢栽O計一個低通濾波器防止不必要的噪聲到達差分輸入端。在很多應用中，屏蔽電纜被用來減少噪聲；為了在整個頻率范圍內(nèi)得到最好的共模抑制比，屏蔽層必須正確連接。在本文中，結(jié)合本人的工作實際詳細說明了基于儀表放大器的傳感器信號調(diào)理電路設計，并對容易遇到的問題進行了剖析，從工程的角度提供了一種行之有效的方案。