使用高精度儀表放大器進行遠程檢測

儀表放大器（IA）是檢測應用的主力，本文將探討一些利用儀表放大器的平衡和出色直流/低頻共模抑制（CMR）特性的方法，使得儀表放大器配合阻性傳感器（例如應變計）使用，傳感器與放大器在物理上分離。文中將提出一些提高此類增益級的抗噪性，同時降低其對電源變化和元件漂移的敏感性的方法。文章還會提供實測性能值和結(jié)果以展示精度范圍，方便最終用戶應用進行快速評估。

說到傳感器，幾乎沒有什么能比得過惠斯登電橋（圖1）。該電橋可產(chǎn)生差分電壓，當物理參數(shù)變化時，差分電壓會隨之發(fā)生可預測的變化。差分電壓還有抑制溫度和時間漂移的附帶好處。差分電壓位于較大共模 (CM) 電壓之上。使用儀表放大器來放大電橋提供的小信號。儀表放大器的優(yōu)點在于，在電橋元件負載很少或沒有負載的情況下，它可以檢測差分電壓并將CM抑制到傳統(tǒng)運算放大器無法實現(xiàn)（因為要求外部電阻高度匹配）的程度。

圖1. 惠斯登電橋

物理測量所用的電子設備常常遠離被測物理參數(shù)。例如，埋在卡車稱重站路面下方或橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)的應變計測量，不太可能位于讀取測量結(jié)果的電子設備旁邊。當使用雙線四分之一橋接應變計（例如Omega公司的SGT-1/350-TY43）時，傳感器放在遠離檢測放大器的地方，如圖2所示，產(chǎn)生的結(jié)果不令人滿意，即便傳感器引線使用屏蔽雙絞線也無效。

圖2. 遠程傳感器設置受到環(huán)境噪聲拾取的影響

問題在于，屏蔽雙絞線不是對長電纜線路上的所有干擾都能抑制。在這種情況下，不能依靠儀器的良好平衡輸入來消除CM影響。長電纜拾取的干擾對放大器正負輸入的影響是不均衡的，而且輸入包含CMR無法消除的不相關信號。因此，如圖3所示，由于對CM噪聲（看似如此）的響應不平衡，在電路輸出端發(fā)現(xiàn)明顯噪聲并不奇怪。

圖3. 麻煩的放大器輸出端120 Hz噪聲（0.1 V/div，2 ms/div）

為了從CM（直流和干擾）中成功提取很小的電橋差分電壓，一種解決方案是使用兩對屏蔽或非屏蔽雙絞線 (UTP)。這樣，儀表放大器的兩個輸入實現(xiàn)均衡，受到的 CM 噪聲影響相同，如圖 4 所示。諸如 LT6370 之類的器件具有出色的低頻 CMR (120 dB)，能夠可靠地抑制困擾 IA 輸入的噪聲。結(jié)果，即使在嘈雜的環(huán)境中，遠距離輸出波形也很干凈。

圖4. 使用兩根非屏蔽雙絞線進行遠程檢測

有了 LT6370 的全部 CMR 功能，我們可以更進一步，通過減少一對接線來簡化配置，僅留下一根 UTP。此概念如圖 5 所示，其中 U2 的輸入保持平衡以獲得良好的 CMR。注意 UTP 引線看起來與 U2 相同，并有相同的對地阻抗（R2、R4）。

圖5. 用于遠程檢測的單根UTP

對于圖 5 所示的元件值，流過傳感器 R_SENSOR 的電流約為 1 mA。使用 U 1的 RG1 值，該級以 G = 10 V/V 運行，輸出電壓為 RSENSOR 上電壓的10倍放大副本，約為 3.5 V。U1 的主要任務是消除 UTP 長導線上存在的且僅響應傳感器電壓的干擾，傳感器電壓等于傳感器電阻乘以流經(jīng)其中的約1 mA電流。LT6370 出色的低失調(diào)電壓和漂移，以及優(yōu)異的CMR特性，使其成為顯而易見的選擇。

惠斯登電橋的另一半由 R5、R6 和 VR1 組成，其電流與電橋的傳感器部分幾乎相同。U1 輸出端的傳感器電壓和VR1游標處的基準電壓均經(jīng)過低通濾波后達到 U2 的差分輸入端，以消除干擾噪聲。U2 設置為高增益（G = 1 + 24.2 kΩ/RG2 = 100 V/V），以放大正輸入端上的非常小的傳感器電壓，而負輸入端上是固定的低噪聲基準電壓，自基準電壓源 LT6657-5 產(chǎn)生。U1輸出精確代表實測的施加于傳感器（其附著于目標元件或材料）的應變，以驅(qū)動 ADC 或其他類似的信號處理。

可選 DAC 和 OPA（U4、U5）連接到 U 2的 REF 引腳（如果不需要偏移調(diào)整，可以將其接地），可用于提供輸出偏移調(diào)整和調(diào)零。使用 DAC 可以將U2 輸出電壓移動到適合所選 ADC 的基準或 CM 電平。例如，基準電壓為 5V 的 ADC 可以直接從U2驅(qū)動，使用 DAC 驅(qū)動 U2REF 輸入，將其零輸出設置為 2.5V。這樣，0 V 至 2.5 V ADC 模擬輸入代表壓縮應變，2.5 V 至 5 V 信號代表拉伸應變。需要注意的是，驅(qū)動 U2 REF 引腳的器件（本例中為 AD820）應保持低阻抗，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的關系以及輸出電壓與被測量應變(ε)的關系的表達式：

其中，ΔR_SENSOR為應變引起的傳感器電阻的變化

其中：

L 指傳感器長度

ε 指被測應變量

對于所選的傳感器：

R_sensor= 350 Ω

GF= 2

產(chǎn)生的應變(ε)為：

LT6370 的超低增益誤差（G = 10 V/V時小于0.084%）和低輸入失調(diào)電壓（全溫度范圍內(nèi)最大值小于50 μV），保證U2獲得傳感器電壓的真實副本，減去UTP拾取的干擾，與 U2 反相輸入端產(chǎn)生的基準電壓進行比較。LT6657-5 產(chǎn)生穩(wěn)定、低噪聲、低漂移的基準電壓，使整個電路不受電源電壓變化的影響。特別重要的是，LT6657-5 的 1/f 噪聲很低，這點意義重大，因為電路的增益很大。

U2 每個輸入端的簡單RC低通濾波器（R9、C2和R10、C3）的滾降頻率設置為約 10 Hz，輸出噪聲可以通過限制帶寬來降低。

如圖 6 所示，LT6370 的 1/f 噪聲轉(zhuǎn)折頻率很低（<10 Hz），1/f 噪聲的影響很小，這是一個優(yōu)勢。此外，電流噪聲密度圖顯示，利用輸入端噪聲的相關分量，保持兩個輸入阻抗平衡以使電流噪聲影響最低要好得多。因此，由于 VR1 的游標具有等效阻抗，R10 的值降至 3.74 kΩ，以與 4.75 kΩ 的 R9阻抗匹配。

圖6. LT6370輸入基準電流/電壓噪聲密度

電橋傳感器遠離信號處理放大器，需要儀表放大器來提取干凈的實測差分電壓。LT6370 儀表放大器的特性使其能夠成功處理遠程傳感器通過長電纜傳來的信號。LT6370 制造工藝在生產(chǎn)測試期間調(diào)用片內(nèi)加熱器來保證溫度漂移值，進一步增強了 LT6370 對遠程監(jiān)控應用的適應性，并延長了其在難以維修的設備中的使用壽命和產(chǎn)品壽命。