儀表放大器（IA）是傳感應(yīng)用的主力。在本文中，我將探討一些方法，當(dāng)傳感器與放大器物理分離時(shí)，利用這些放大器的平衡和出色的直流/低頻共模抑制（CMR）與電阻傳感器（例如應(yīng)變計(jì)）一起使用。我將介紹提高此類增益級(jí)抗擾度的方法，同時(shí)降低它們對(duì)電源變化和元件漂移的敏感性。還將展示測(cè)量的性能值和結(jié)果，以顯示精度范圍，以便對(duì)最終用戶應(yīng)用進(jìn)行快速評(píng)估。

細(xì)節(jié)

在傳感器方面，惠斯通電橋（圖1）的功能幾乎沒有競(jìng)爭(zhēng)。電橋可以產(chǎn)生差分電壓，該差分電壓可預(yù)測(cè)地隨著物理參數(shù)的變化而變化，其附帶好處是提供溫度和時(shí)間漂移抗擾度。差分電壓位于大共模（CM）電壓之上。為了放大來(lái)自電橋的小信號(hào)，使用儀表放大器。IA的優(yōu)點(diǎn)在于，在橋元件負(fù)載很少或沒有負(fù)載的情況下，它可以檢測(cè)差分電壓并將CM電壓抑制到傳統(tǒng)運(yùn)算放大器幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)的程度，因?yàn)樾枰叨鹊耐獠侩娮杵ヅ洹?/p>

圖1.惠斯通電橋。

物理測(cè)量中涉及的電子設(shè)備通常遠(yuǎn)離被測(cè)量的物理參數(shù)。例如，應(yīng)變計(jì)測(cè)量，例如埋在卡車稱重站柏油路面下或橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)變計(jì)測(cè)量，不太可能位于用于讀取測(cè)量值的電子設(shè)備旁邊。例如，當(dāng)處理雙線四分之一橋應(yīng)變計(jì)（如Omega公司的SGT-1/350-TY43）時(shí)，將傳感器放置在遠(yuǎn)離傳感放大器的位置（如圖2所示），即使使用屏蔽雙絞線傳感器引線，也會(huì)產(chǎn)生不令人滿意的結(jié)果。

圖2.遠(yuǎn)程傳感器設(shè)置會(huì)受到環(huán)境噪聲拾取的影響。

問題在于，屏蔽雙絞線不能免受長(zhǎng)電纜傳輸?shù)乃懈蓴_。在這種情況下，不能依靠儀器儀表的均衡輸入來(lái)消除CM電壓拾取。正負(fù)放大器輸入受長(zhǎng)電纜拾取的干擾的影響不相同，并且輸入包含CMR無(wú)法消除的不相關(guān)信號(hào)。因此，如圖3所示，在電路輸出端發(fā)現(xiàn)顯著噪聲并不奇怪，這是由于對(duì)CM噪聲的這種不平衡響應(yīng)。

圖3.放大器輸出端的 120 Hz 拾音（0.1 V/格，2 ms/格）有麻煩的拾音。

從CM（直流和干擾）成功提取小橋差分電壓的一種解決方案是使用兩對(duì)屏蔽或非屏蔽雙絞線（UTP）。這樣，兩個(gè)IA輸入得到平衡，并受到相同的CM噪聲拾取。如圖 4 所示。LT6370等器件具有出色的低頻CMR （120 dB），可以可靠地抑制影響兩個(gè)IA輸入的因素。結(jié)果是在很遠(yuǎn)的距離上獲得干凈的輸出波形，即使在嘈雜的環(huán)境中也是如此。

圖4.使用兩根非屏蔽雙絞線進(jìn)行遙感。

擁有LT6370的所有CMR馬力，人們可以將這一想法更進(jìn)一步，通過(guò)消除一對(duì)接線來(lái)簡(jiǎn)化配置，留下一個(gè)UTP。這個(gè)概念如圖5所示，其中U2的輸入保持平衡以獲得良好的CMR。請(qǐng)注意，UTP 引線看起來(lái)與 U2 相同，并且接地阻抗相同（R2、R4）。

圖5.用于遙感的單個(gè) UTP。

對(duì)于圖5所示的元件值，將有大約1 mA電流流過(guò)傳感器R。傳感器.使用U1的RG1值，該級(jí)在G = 10 V/V下運(yùn)行，并提供R兩端電壓的10×副本傳感器U1的主要任務(wù)是消除UTP長(zhǎng)導(dǎo)線上存在的干擾，僅響應(yīng)傳感器電壓，即傳感器電阻乘以流過(guò)它的~1 mA電流。LT6370 出色的低失調(diào)電壓和漂移以及出色的 CMR 使其成為不二之選。

惠斯通電橋的另一半由R5、R6和VR1組成，電流與電橋的傳感器部分幾乎相同。經(jīng)過(guò)一些低通濾波后，U1輸出端的傳感器電壓和VR1游標(biāo)上的基準(zhǔn)電壓都會(huì)達(dá)到U2的差分輸入端，以消除不需要的噪聲。U2設(shè)置為高增益（G = 1 + 24.2 kΩ/RG2 = 100 V/V），以放大其正輸入端的極小傳感器電壓與其負(fù)輸入端的固定低噪聲基準(zhǔn)電壓（源自LT6657-5基準(zhǔn)電壓源）的比較。U1輸出準(zhǔn)確表示施加到傳感器上的測(cè)量應(yīng)變，連接到感興趣的元件或材料上，以驅(qū)動(dòng)ADC或其他類似的信號(hào)處理。

連接到U2的REF引腳（如果不需要失調(diào)調(diào)整，則可以接地）的可選DAC和OPA（U4，U5）可用于提供輸出失調(diào)調(diào)整和歸零。通過(guò)使用DAC，可以將U2輸出電壓轉(zhuǎn)換為適合所選ADC的所需基座或CM電平。例如，基準(zhǔn)電壓為5 V的ADC可以直接由U2驅(qū)動(dòng)，其零輸出設(shè)置為2.5 V，使用DAC驅(qū)動(dòng)U2 REF輸入。這樣，0 V至2.5 V ADC模擬輸入表示壓縮，2.5 V至5 V信號(hào)表示張力應(yīng)變。需要注意的是，驅(qū)動(dòng)U2 REF引腳的器件（本例中為AD820）應(yīng)保持低阻抗，以消除任何可能的增益誤差。

以下是輸出電壓與傳感器電阻以及輸出電壓與被測(cè)應(yīng)變（ε）之間關(guān)系的函數(shù)表達(dá)式：

其中 ΔR傳感器是應(yīng)變引起的傳感器電阻變化

哪里：

L 指?jìng)鞲衅鏖L(zhǎng)度

ε是指被測(cè)應(yīng)變的量

對(duì)于所選的傳感器：

R傳感器= 350 Ω

GF= 2

導(dǎo)致應(yīng)變 （ε）：

LT6370具有極低的增益誤差（G = 10 V/V時(shí)為<0.084%）和低輸入失調(diào)電壓（在整個(gè)溫度范圍內(nèi)指定最大值為<50 μV），保證U2具有傳感器電壓的真實(shí)復(fù)制品，減去UTP拾取的干擾，以便與U2反相輸入端產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。LT6657-5 可創(chuàng)建一個(gè)穩(wěn)定的、低噪聲和低漂移的基準(zhǔn)電壓源，從而使整個(gè)電路不受電源電壓變化的影響。特別重要的是LT6657-5的低1/f噪聲，由于電路中的大增益，這可能會(huì)產(chǎn)生重大貢獻(xiàn)。

將簡(jiǎn)單的RC低通濾波器（R9、C2和R10、C3）設(shè)置為U2每個(gè)輸入端的滾降頻率約為10 Hz，可以通過(guò)限制帶寬來(lái)降低輸出噪聲。如圖6所示，低（<10 Hz）LT6370 1/f噪聲轉(zhuǎn)折頻率降低了1/f噪聲的影響，從而提供了優(yōu)勢(shì)。此外，電流噪聲密度圖顯示，通過(guò)利用輸入端的相關(guān)噪聲分量，保持兩個(gè)輸入阻抗平衡以實(shí)現(xiàn)最低的電流噪聲影響要好得多。因此，R10的值減小到3.74 kΩ，以匹配4.75 kΩ的R9阻抗，因?yàn)閂R1游標(biāo)具有等效阻抗。

圖6.LT6370 輸入折合到電流 / 電壓噪聲密度。

總結(jié)

將橋式傳感器放置在距離信號(hào)處理放大器一定距離的地方需要一個(gè)儀表放大器，該儀表放大器可以干凈地提取測(cè)量的差分電壓。LT6370 儀表放大器的屬性使其能夠通過(guò)長(zhǎng)電纜成功處理來(lái)自遠(yuǎn)距離傳感器的信號(hào)。LT6370 的制造工藝在生產(chǎn)測(cè)試期間調(diào)用片上加熱器以保證過(guò)熱漂移值，進(jìn)一步增強(qiáng)了 LT6370 對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用的適用性，并延長(zhǎng)了難以維修的安裝中的使用壽命和產(chǎn)品壽命。

審核編輯：郭婷