自动调零放大器在应变测试仪中的应用

       引言

       应变片式传感器应用十分广泛，它采用电桥式电路结构，以提高输出灵敏度。但一个微应变桥路输出只有2 mV左右，即使在满载情况下，应变片的最大输出也只有数十mV，这就要求前置测量放大电路具有高增益、高精度、低噪声、低漂移等特点。一般集成运算放大器

       AD8230的工作原理与特性

       A D8230 是ADI公司的一款利用动态校零技术，采用超小型SOIC工艺制作的稳零式精密仪表放大器。与工业标准AD62x系列仪表放大器相比，AD8230有许多关键的性能提高：具有109W的高输入阻抗，能有效地抑制信号源与传输网络阻抗不对称引起的误差；在-40℃~+125℃的工作温度范围内，输入失调电压为10mV、失调电压温度漂移只有50nV/℃，共模抑制比高达140dB，能有效地抑制共模干扰引入的误差，提高系统信噪比和对温度影响的抵抗能力；输入/输出摆幅可达电源限（-VS~+VS），以适应信号源电平的较宽范围；具有较高的增益及较宽的增益调节范围（G=2~1000），其典型增益误差为± 0.01%，增益非线形误差仅为20ppm，有效地保障了系统的测量精度。

       放大器增益由两个外部电阻器设置，以实现温度系数（TC）匹配。

       AD8230 由参考端电位确定零输出电压，当负载与系统地不明确共地时特别有用，它提供了一种对输出引入精密补偿的方法，利用参考端还可提供一个虚地电压放大双极性信号。若AD8230相对地输出，则参考端应接地，为了使接地回路阻抗最小，达到最佳的CMR，参考端应接到一个低阻抗接点，建议使用接地平面。

       自动调零（或自动稳零）是一种动态地抵消失调电压和失调电压漂移的技术，它能将相对输入端的失调电压降低到mV级，将失调电压漂移降低到nV/℃级。动态抵消失调的另一优点是可降低低频噪声，特别是1/f噪声。自动稳零运算放大器的基本指导思想是：如果能将运放两个输入端短路时或加共模输入信号时的输出电压 (误差电压)先用电容器寄存起来(简称采样)，再与运放正常工作时的输出电压相减(简称校零)，则可有效地减小失调电压、失调电流及温度变化和电源电压波动所引起的漂移，也可有效地抑制共模信号。

       AD8230具有自稳零电路结构，其内部信号路径由一个有源差分采样保持级（前置放大器）和一个差分放大级（增益放大器）组成。两级放大器都能实现自稳零，使失调和漂移减少到最低，全差分电路结构增强了对寄生噪声的抵抗能力。自动稳零基本原理如图 1所示，这里以两个相继时钟相位A、B分别描述其内部工作顺序。 

       电路通过电子开关来切换两个阶段循环工作：在时钟上半周期，电路处于采样阶段，采样电容器CSAMPLE连接到信号输入端，该输入信号的差分电压VDIFF被存储在CSAMPLE上，共模电压被抑制。在此期间，增益放大器与前置放大器断开，以使其输出保持在以前采样的输入信号幅度；在时钟下半周期，电路处于动态校零和放大阶段，CSAMPLE上采集的差分信号被提供给增益放大器，刷新存储在CHOLD上的电压值，并由增益放大器放大。当CSAMPLE连接到前置放大器的输出端时，前置放大器的共模输出电压被下拉到参考电位VREF。用这种方法，使CSAMPLE与前置放大器具有相同的共模电压。

       精密应变测试仪的实现

       应变测试仪主要由桥压产生、射频干扰（RFI）滤波、共模抑制、信号放大、低通滤波和缓冲驱动等电路构成，其结构框图如图2所示。

       在实际应用环境中，不断增加的射频干扰，被放大器整流后可能表现为难以消除的直流失调误差，同时考虑到信号传输线路长、强度弱的情况，在仪表放大器前设置一个差分低通滤波器，用以尽可能多地从输入端去除RF能量，保持每个输入端与地之间的AC信号平衡，以及在测量带宽内保持足够高的输入阻抗，以避免降低对输入信号源的带载能力。

       应变传感器工作电压由桥压产生电路供给，其稳定性直接影响输入信号的测量精度。为使测量误差及输入信号漂移最小，桥压电路应选用低温度系数的精密基准稳压芯片，如LM399、LM3999等。它们采用次表面隐埋技术，具有长期稳定性好、噪声电压低等优点，其优异的恒温特性αT＝(0.3~2)×10-6/℃，可有效消除温度变化对基准电压的影响。

       系统增加了共模抑制电路，可进一步减小系统噪声和直流零点漂移误差，提高测试精度；在仪表放大器输出端设置一个低通滤波器以滤除高频分量，降低低频噪声；增加缓冲驱动电路，加大放大器的带载能力，在放大器与负载相距较远时，效果明显。该系统解决了以往应变仪中频带不足、精度不高等难题，是一种新型的精密测试仪器。[page]

       AD8230在应变测试仪中的应用

       AD8230在精密应变测试仪中主要用于共模抑制、信号放大、自动稳零和输出缓冲等。

       共模抑制电路

       因应变电桥输出电压很弱，信号传输大多采用屏蔽电缆。在远距离测量时，信号线与电缆屏蔽层之间存在不容忽视的分布电容，若将屏蔽层直接接地，则当两个输入端各自对地电容不等时，将使系统的共模抑制能力下降，影响后级测量精度。图3采用一种积极的数据保护措施，将屏蔽层适当驱动后接于共模信号相等的电位点上，改善AC CMR，从而不产生泄漏电流，提高了信噪比。

       输出滤波、驱动缓冲电路

       AD8230放大器驱动负载能力较小，仅可驱动10kW以上负载阻抗。若负载阻抗小于10kW，其输出端应再加一级精密驱动缓冲器。根据应用频段，在输出端加设一个低通滤波器以滤除高频分量，推荐选用UAF42AU。它集滤波、驱动为一体，通过改变引脚间连接，可灵活实现低通、高通、带通或带阻滤波。当驱动负载为2kW时，UAF42AU输出摆幅为±11.5V，可满足测试仪在各领域的应用要求。输出缓冲电路如图4所示。

       结语

       AD8230可取代分立器件构成的仪表放大器，具有线性度好、温度稳定性高、体积小、可靠性高等特点，可用作低功耗医用仪表放大器、热电偶放大器、电桥应变测量放大器及用于传感器接口、工业过程控制和低功耗数据采集系统中。由其构成的应变测试仪被广泛应用于物料计量称、传感器仪表等，实践表明，该测试仪最大动态测量误差 ≤1.53‰