呂志昂

（山東勝利職業(yè)學(xué)院 交通工程分院，山東 東營 257000）

信號調(diào)理電路廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、儀器儀表等對傳感器信號進(jìn)行檢測及處理的應(yīng)用中。它是傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器等后續(xù)裝置的接口。它將傳感器輸出的非常微弱的且受到多種噪聲源干擾的低電平信號進(jìn)行放大、處理、抑制噪聲并統(tǒng)一格式，使之成為適合A/D轉(zhuǎn)換器等后續(xù)裝置要求的信號。對于不同的被測對象，所采用的傳感器的種類很多，對信號調(diào)理電路提出了不同的要求。結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換器等后續(xù)裝置的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計一個性能良好的信號調(diào)理電路已經(jīng)成為系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容。本文以A1323線性霍爾傳感器檢測弱磁信號為例，探討相應(yīng)的信號調(diào)理電路的設(shè)計方法。

1 信號調(diào)理電路中放大器芯片的選用

運算放大器作為信號調(diào)理電路中的重要元件，一直為電路設(shè)計工程師所重視。根據(jù)傳感器的類型、信號調(diào)理電路及其不同功能來選擇合適的運算放大器，是設(shè)計工程師經(jīng)常面臨的問題。在本文中，弱磁信號經(jīng)高靈敏度且對溫度穩(wěn)定的A1323線性霍爾傳感器變換為電信號后，還是非常微弱，只是毫伏級的電壓信號。因此，對后續(xù)的調(diào)理電路提出了具體要求：要具有很好的直流特性，即有較低的溫度漂移，較低的輸入失調(diào)電壓和較小的輸入偏置電流；要有較高的共模抑制比和較大的增益（幾百倍）；要有低功耗和低噪聲等。

根據(jù)這一要求，在設(shè)計中選用AD620型集成運放芯片。AD620具有以下特點[1]：

（1）很好的直流特性。最大輸入失調(diào)電壓為50 μV，最大輸入偏置電流僅為2.0 nA，最大溫度漂移僅為 1 μV/℃。 供電電源范圍為±2.3 V～±18 V，最大供電電流僅為1.3 mA（低功耗）。

（2）很低的噪聲。在 1 kHz時，輸入電壓噪聲為9 nV；在0.1 Hz～10 Hz時，輸入電壓噪聲的最大值為0.14 μV，輸入電流噪聲為 0.1 pA。

（3）較大的增益。AD620的放大倍數(shù)可設(shè)置為1～1000。

（4）較高的共模抑制比。AD620的共模抑制比可達(dá)100 dB。

（5）功耗低、精度高且體積小。以SOIC或DIP封裝，價格適中。

AD620的管腳功能如圖1所示。其中，1、8腳外接調(diào)整電阻；2、3腳外接輸入信號的兩極（2接信號的負(fù)極，3接信號的正極）；4、7腳接外部電源的兩極 （4接電源的負(fù)極，7接電源的正極）；5腳為參考端，一般情況下與地連接；6腳為放大后信號的輸出端。內(nèi)部電路如圖2所示。電路的放大倍數(shù)可以由內(nèi)部增益調(diào)節(jié)電阻Rg精確調(diào)節(jié)，當(dāng)內(nèi)部增益電阻R1和R2被精確確定為24.7 kΩ時，其放大倍數(shù)K的調(diào)節(jié)公式為[2]：

圖1 AD620的管腳示意圖

圖2 AD620內(nèi)部方框圖

2 信號調(diào)理電路中參數(shù)的確定

利用AD620所設(shè)計的信號調(diào)理電路如圖3所示。該電路也可稱為儀用放大器，其主要功能為：是高精度放大霍爾傳感器輸出的微弱的信號；具有較高的共模抑制比，抑制共模干擾，提高信噪比；采用濾波方法提高信號質(zhì)量；采用差動輸入以減少零漂[3]。

信號調(diào)理電路中的A2是由AD705構(gòu)成的電壓跟隨器，作緩沖級，起阻抗變換作用，為后級濾波器高品質(zhì)的工作提供保證。此外，還起隔離作用，隔離放大器放大過程、電壓提升過程中的噪聲。A3是由AD705構(gòu)成的濾波電路，用來保證輸出高質(zhì)量的信號，以滿足后續(xù)信號采集的要求。該檢測過程要求放大電路的放大倍數(shù)調(diào)節(jié)到100倍，由于放大倍數(shù)并不是很高，因此，濾波電路A3采用RC濾波。由于采樣頻率很低，因此，濾波器為低通濾波，低通濾波器的截止頻率為10 Hz，低于10 Hz的信號通過。電路選用低溫度系數(shù)的精密電阻，以獲得盡可能低的漂移；R1、R2和 R4、R5的選擇應(yīng)盡可能匹配。采取在電源的引入端采用電源退耦電容，以消除電源所帶來的波紋干擾。在信號輸入端增加RC濾波器等措施，以增強電路的抗干擾能力。該電路的主要性能指標(biāo)為：高輸入阻抗 （1 012～1 014 kΩ）；高共模抑制比（≈106）；低輸入偏置電流（納安級）；低噪聲、低功耗、差分輸入、單端輸出且工作穩(wěn)定。

圖3 信號調(diào)理電路圖

在電路中，各元器件的參數(shù)確定如下：

（1）取放大器增益為100，則增益調(diào)節(jié)電阻為：

（2）要求濾波器截止頻率為 f=10 Hz，取 C1=C2=C3=0.1 μF，則：

AD620中的5腳在此電路中用于上拉電壓，接一塊LM336，電路如圖3所示。LM336集成電路是精密的2.5 V并聯(lián)穩(wěn)壓二極管。這種單片基準(zhǔn)如低溫度系數(shù)2.5 V齊納二極管那樣工作。取R3=2.5 kΩ，則此時的5腳被穩(wěn)定在2.5 V。

3 信號調(diào)理電路的特性測試

信號調(diào)理電路設(shè)計好后，有必要對信號調(diào)理電路的特性進(jìn)行測試，使其靜態(tài)性能和動態(tài)性能都能滿足檢測需要。下面是對所設(shè)計的信號調(diào)理電路的增益特性進(jìn)行測試。測試電路示意圖如圖4所示。

圖4 信號調(diào)理電路特性測試示意圖

測試所用的UJ33a是直流電位差計，其準(zhǔn)確度非常高，可達(dá)到0.05%，可以測量微弱的直流電壓，經(jīng)過控件轉(zhuǎn)換，可以測量電阻、電流、電功率和溫度等參數(shù)。由于UJ33a內(nèi)部配置不飽和型標(biāo)準(zhǔn)電池和9 V干電池，因此，也可以輸出電壓信號，作為校驗儀表用。UJ33a的性能穩(wěn)定，溫度系數(shù)很小，符合本文對信號調(diào)理電路特性的要求。

經(jīng)過理論計算，將信號調(diào)理電路的電壓放大倍數(shù)精確調(diào)節(jié)為300，由UJ33a直流電位差計給信號調(diào)理電路提供-15 mV～+15 mV的標(biāo)準(zhǔn)電壓，從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表中讀出相應(yīng)的讀數(shù)。測試結(jié)果如表1所示。

表1 信號調(diào)理電路特性測試數(shù)據(jù)表

電壓放大倍數(shù)的理想值為300，本文用標(biāo)準(zhǔn)差來衡量這組測量數(shù)據(jù)的精確度。零輸入的測量不計在內(nèi)，6個數(shù)的平均值為：

則標(biāo)準(zhǔn)差為：

則電壓放大倍數(shù)可表示為：

這說明本文所設(shè)計的信號調(diào)理電路的增益特性精確度能滿足檢測要求。

[1]喬巍，杜愛玲，陳春，等.高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號調(diào)理電路的設(shè)計[J].電子技術(shù)，2003（4）.

[2]崔建鵬.現(xiàn)代測試技術(shù)測控平臺——信號調(diào)理綜合模塊[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2003.

[3]萬升云.磁記憶檢測原理及其應(yīng)用技術(shù)的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.