为应变计应用选择合适的放大器

　　应变计简介

　　在讨论放大器和信号调理电路之前，有必要快速介绍一下应变计。顾名思义，“应变”就是由于外力作用所产生的改变。应变计使用电阻来表示由外力引起的应变大小。应变计有多种不同的类型，最常见的就是金属应变计。这种类型的应变计由一根金属丝或一小片金属箔组成。在受到外力时，应变计会发生形变(正向或反向)，从而导致应变计的电阻也随之变化。电阻的这种变化是可以测量的，从而反映出所施加外力的大小。

　　那么，实际上应如何测量应变呢?由于惠斯通电桥电路的灵敏度极佳，所以通常可在其中放置一个或多个应变计。用于应变计应用的惠斯通电桥由按照菱形模式布置的四个元件组成，每个桥臂都有一个电阻元件(应变计或固定电阻)。然后向该电桥施加一个激励电压，并测量菱形两个相对端点之间的输出电压。四分之一桥电仅包括一个可变电阻元件—应变计。半桥则有两个可变电阻元件，而全桥中的所有四个元件均为可变电阻元件—在此例中，为应变计。具有多个应变计的好处就是增加了灵敏度。在所有其他配置相同的情况下，半桥配置的灵敏度是四分之一电桥的两倍，而全桥的灵敏度是四分之一电桥的四倍。

　　信号调理

　　即使在惠斯通电桥配置中使用了多个应变计，输出电压的总体变化仍然相对较小，通常在毫伏范围内。由于信号幅度较小，所以在通过模数转换器(ADC)将电压转换成数字信号之前，通常需要一个增益级。可能还必须滤除模拟输入信号中的特定噪声源。噪声源的一些示例包括电源线嘈杂声(50 Hz或60 Hz)、机械共振或外部电子干扰。最后，任何信号调理电路都不得向系统中添加大噪声，否则来自惠斯通电桥的较小输出电压就会丢失。总之，信号调理电路必须有足够高的增益，能提供适当的滤波并具有较低的噪声。

　　失调电压和开环增益

　　根据桥式应变计的输出摆幅和ADC的满量程输入，模拟信号可能需要放大500倍或更高倍数。此外，该电路必须提供足够的裕量，这样信号就不会使放大器或ADC饱和。在选择增益级放大器时必须考虑以下几个方面。

　　首先，由于需要较高的增益，因此放大器的失调电压变得非常重要。由放大器产生的失调电压将与增益相乘。例如，一个失调电压为1mV而增益配置为500倍的放大器会在放大器的输出端产生0.5V的误差电压。对于一个在满量程时产生10mV输出电压的应变计桥，放大器的这一失调误差可导致出现10%的测量误差。因此，需要一个低失调的精密放大器，例如MCP606。

　　第二，在仍能保持性能的同时，放大器必须具有足够大的开环增益以提供所需的放大倍数。典型放大器的开环增益在某一频率范围内是恒定的，然后以每十倍频20dB的速度开始下降。大部分通用放大器的开环增益范围为100dB至120dB。这类放大器可处理上述的为500倍的增益，但是可能会限制系统的整体性能。

　　例如，假设放大器的开环增益为120dB，并且带宽足够大，允许放大器在增益为500倍所对应的频率下正常工作。500倍的增益大约相当于54 dB，所以放大器的54dB开环增益用于提供增益。剩余的66dB为开环增益裕度，用于确保线性度，如图1所示。