浙江省杭州市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)測(cè)中心  厲志飛

    在對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理的過(guò)程中，往往要把微弱的信號(hào)進(jìn)行放大，要求放大器有足夠大的共模抑制能力、很強(qiáng)的差模電壓放大能力、很高的輸入阻抗和穩(wěn)定的工作性能。但當(dāng)傳感器的輸出電阻不為零時(shí)，運(yùn)放的等效輸入阻抗將不對(duì)稱，從而使單運(yùn)放的失調(diào)增加，尤其是在運(yùn)放輸入阻抗較低時(shí)更為嚴(yán)重。如果放大電路的共模抑制能力不足、外接電阻匹配不準(zhǔn)確，則傳感器的輸出引線電阻、噪聲等將在放大電路的輸出端引起更大的共模干擾。而運(yùn)放輸出端較大的共模輸出信號(hào)，將使運(yùn)放的線性度下降而難以有效地放大有用的差模信號(hào)。如果共模信號(hào)幅值超過(guò)電路的電源電壓，則運(yùn)放還將被損壞。

　　一、信號(hào)預(yù)處理電路

　　1.放大器的選用
　　從傳感器的輸出到放大器的輸入端之間，有可能引入的干擾主要有:工頻干擾、靜電干擾、電磁耦合干擾和共模干擾(即兩條或兩條以上信號(hào)線的電壓耦合)。選用儀用放大器一般可以滿足傳感器對(duì)放大器的抗干擾要求。如采用AD521型集成精密儀用放大器，只需外接兩只電阻，就可以獲得0.1～1000的可調(diào)增益，且外接電阻的變化不影響整個(gè)電路的共模抑制能力和電路的輸入阻抗，即對(duì)外接電阻的要求不高，易于實(shí)現(xiàn)；另外AD521還具有30V的差模輸入范圍和較強(qiáng)的過(guò)載能力、40MHz的帶寬和良好的動(dòng)態(tài)特性。

　　當(dāng)傳感器輸出信號(hào)的范圍較大時(shí)，如(0.035～5)V，很明顯不能用同一增益的放大電路進(jìn)行放大，否則在輸入信號(hào)較小時(shí)，輸出信號(hào)將小于一半量程，而輸入信號(hào)較大時(shí)卻使放大電路處于飽和狀態(tài)，在這種場(chǎng)合宜采用可編程放大器。可編程放大器與采樣保持放大器及A/D轉(zhuǎn)換器組合在一起，配置適當(dāng)?shù)能浖?，很容易?shí)現(xiàn)傳感器輸出信號(hào)的自動(dòng)增益控制或量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

　　2.放大器內(nèi)部干擾的抑制
　　在調(diào)理電路中，放大器的主要干擾源有3種:①本機(jī)內(nèi)部形成的有害的熱電偶等所產(chǎn)生的熱電勢(shì)干擾；②接口電路內(nèi)子系統(tǒng)間的耦合，如子系統(tǒng)接地點(diǎn)不在同一點(diǎn)而產(chǎn)生的共模干擾；③外部產(chǎn)生的如電源頻率等電磁感應(yīng)耦合和電容耦合產(chǎn)生的干擾。熱電勢(shì)干擾的產(chǎn)生主要在傳感器信號(hào)輸出端相鄰的任何通道中，如焊錫與導(dǎo)線、導(dǎo)線與導(dǎo)線及接插件之間的接點(diǎn)可能形成的熱電偶。這些干擾可采用特殊的低熱焊錫，或使這些熱電偶保持在相同的溫度之下，可利用熱屏蔽、散熱器等；同時(shí)應(yīng)將大功率電路與小功率電路彼此分開(kāi)，使電路各部分之間的熱梯度減至最小；在檢測(cè)弱電流時(shí)，和它有關(guān)的元器件和印刷電路板的表面漏電流也必須盡量減小，故表面須進(jìn)行絕緣處理，并將印刷電路板上的輸入端用接地的環(huán)狀線包圍起來(lái)。共模干擾可通過(guò)接地與去耦的方式消除。外部產(chǎn)生的干擾一般可應(yīng)用屏蔽與防護(hù)技術(shù)來(lái)降低甚至消除其影響。另外，當(dāng)運(yùn)放的反饋電阻阻值很大時(shí)，運(yùn)放幾乎處在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生較大的輸出電壓漂移，此時(shí)應(yīng)選用漂移量非常小而且輸入電流也非常小的運(yùn)放，如7650，其失調(diào)電壓的溫漂為0.05μV/℃，輸入電流為0.01nA，并具有自動(dòng)校零功能；也可采用AD515，AD515的輸入電流小于0.075pA，失調(diào)電壓小于1mV，失調(diào)電壓的溫漂為15μV/℃。

　　3.濾波器的選擇
　　傳感器的輸出信號(hào)一般是緩慢變化的，故對(duì)各種外界干擾所引起的噪聲及其它信號(hào)的濾除比較容易。而對(duì)低頻和超低頻信號(hào)的濾除，集成有源濾波器最合適。如壓電式傳感器，通常產(chǎn)生相當(dāng)于高頻的信息，對(duì)采用的濾波器要求具有較高的噪聲截止頻率。另外，傳感器信號(hào)的濾波電路一般應(yīng)加在信號(hào)放大器后。    

　　二、非線性補(bǔ)償

　　1.利用擬合函數(shù)實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償
　　傳感器的輸出信號(hào)常有一定的非線性，應(yīng)進(jìn)行非線性補(bǔ)償。選擇適當(dāng)?shù)臄M合函數(shù)，改變預(yù)處理電路的構(gòu)成，利用能實(shí)現(xiàn)擬合函數(shù)的電路作為傳感器預(yù)處理電路的一部分，則在補(bǔ)償范圍內(nèi)，傳感器的非線性可基本線性化，誤差可減小到要求的范圍以內(nèi)。擬合函數(shù)的選擇要求能將剩余的誤差限制在有限范圍內(nèi)，且對(duì)輸入信號(hào)是單值性的。采用連續(xù)函數(shù)作為擬合函數(shù)雖然要進(jìn)行較多的數(shù)學(xué)運(yùn)算，但誤差函數(shù)是平滑、連續(xù)的，故結(jié)果易于觀測(cè)分析。常用的擬合函數(shù)有:1/x，x^m，lgx，Ax+Bx³等。另外，利用與傳感器已知傳輸函數(shù)相互補(bǔ)的電路，可實(shí)現(xiàn)某些傳感器的非線性補(bǔ)償，如用對(duì)數(shù)器件補(bǔ)償所測(cè)得的指數(shù)函數(shù)等。
　　在小信號(hào)輸出時(shí)具有良好的線性，而在大信號(hào)階段出現(xiàn)的如圖1所示非線性的某熱電偶響應(yīng)特性曲線(補(bǔ)償前線性范圍在400℃以內(nèi))。
    

    圖1

　　可以采用連續(xù)函數(shù)的擬合將線性范圍擴(kuò)大到y_h=800℃(y_h>y_l=400℃)，目的就是把傳感器的傳輸特性在y_h內(nèi)由曲線轉(zhuǎn)換成直線:設(shè)y=ax+bx²，在線性范圍內(nèi)找一點(diǎn)y_l<y_L(如y_l=250℃)，在實(shí)際傳輸特性曲線上可對(duì)應(yīng)得到X₁=13.5mV；再在非線性范圍內(nèi)找一點(diǎn)y_L<y₂<y_h，如y₂=750℃，在實(shí)際傳輸特性曲線上可對(duì)應(yīng)得到X₂=42.3mV。分別把以上兩對(duì)數(shù)據(jù)代入，得y=18.85X+0.026X²。經(jīng)此擬合，在y≤y₂的范圍內(nèi)誤差幾乎為零。

　　2.利用模擬乘法器進(jìn)行非線性補(bǔ)償
　　整數(shù)冪多項(xiàng)式的建立可通過(guò)模擬乘法器和運(yùn)放實(shí)現(xiàn)，非整數(shù)冪多項(xiàng)式則可利用對(duì)數(shù)多功能組件來(lái)建立。利用模擬乘法器AD534對(duì)不平衡電橋進(jìn)行非線性補(bǔ)償為例，原理電路如圖2所示。
    

    圖2  模擬乘法器的非線性補(bǔ)償作用

    由圖可知儀用放大器的輸出電壓:V₁=KV_i[δ/(1+δ/2)]
    K——橋路輸出系數(shù)和儀用放大器增益之積。將AD534的刻度系數(shù)取為10，則:
    (X₁-X₂)(Y₁-Y₂)=10(Z₁-Z₂)
    根據(jù)電路可得:
    V₀[KβV_iδ/(1+δ/2)]=10[V₀-KV_iδ/(1+δ/2)]
    其中β為Y₁、Y₂的分壓比。適當(dāng)選擇參數(shù)使KβV_i=5V，代入可得
    
    從上式可見(jiàn)，(1+δ)R電阻的變化在V₀處被線性地反映了出來(lái)。這種線性化方法，能成功地對(duì)應(yīng)變片、熱敏電阻、壓力傳感器等橋路的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。

　　 合理構(gòu)成傳感器的信號(hào)調(diào)理電路，科學(xué)處理印刷電路板及元器件的分布，能有效地減小誤差、提高系統(tǒng)的抗干擾能力；而利用連續(xù)函數(shù)的擬合、具有互補(bǔ)性能的非線性器件則能成功地對(duì)傳感器不可避免的非線性進(jìn)行線性化補(bǔ)償，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)準(zhǔn)確度。