基于虚拟仪器的高精度压力信号放大系统设计

摘要 微弱信号的放大要求高、难度大，涉及信号放大以及信号放大的稳定性及精密度要求。差动放大技术由于具有抑制共模信号而仅放大差模信号、增益高的特点，被应用于小信号放大技术中。系统设计采用具有差分放大功能的AD620芯片，放大了应变式传感器的微弱电压信号，以实现系统高精度的要求。采用虚拟仪器技术对放大后的信号进行采集和分析处理，并编写相应的显示界面。用二阶插值法对测量数据进行分析，验证了电路的精确性。
关键词 AD620；二阶插值；LabVIEW；测力传感器

1 系统设计方案
系统由直流稳压源提供±12 V和±5 V两种电压。设定±12 V供电时，系统电压输出满量程为5V，传感器承受静压力满量程为19．6N。满量程范围内测量时，静压力信号最大绝对误差9．8×10-3N，相对误差0．02％。测力传感器输出信号经放大电路后提供电压和电流两种输出方式。

2 系统硬件电路整体设计方案
系统整体设计流程如图1所示。系统硬件电路主要由LC7012测式力传感器、AD620仪表放大器、参考电压源以及电压调零电路、信号滤波整形电路和电压电流转换电路组成。

2．1 压力测量电路
压力测量采用LC7012测力传感器，配以全桥测量电路实现。LC7012测力传感器受到压力作用时有以下两个特点：(1)同样压力情况下传感器应变片的应变量和电桥的输出电压是常量，且与压力作用在传感器受力端的精确位置无关。(2)应变片组成的全桥电路的输出电压与压力基本成线性关系。
LC7012测力传感器中4片电阻应变片粘贴在双孔梁的应变区，在有静压力作用时，双孔梁在压力和系统底盘对双孔梁的支持力的作用下产生四边形形变。4片应变片以全桥方式接成全桥电路，在供桥电压的激励下，随压力不同而输出不同的微弱电压信号，放大电路将电桥送来的微弱电压信号进行放大。
全桥式等臂电桥的结构简单、对称性强、灵敏度高、各臂参数一致性好，各种干扰的影响可以相互抵消，比如可以抑制温度变化的影响，以及抑制侧向力的干扰、较方便地解决测力传感器的补偿等问题。全桥测量电路可使输出的微弱电压信号，尽可能地排除由电路本身干扰而引起的误差，为系统整体精度要求提供最初的保障。
2．2 电压信号放大电路
为提高电桥输出的微弱电压信号的放大精度，信号放大电路选用ADI公司生产的AD620芯片为核心原件，并为其设计专门的可调参考电压源，以满足不同电压源供电对参考电压的需求和精确放大微弱信号的需求。
AD620是一款低成本、高精度的仪表放大器，仅需一个外部电阻来设置增益，增益范围为1～10 000 dB。且AD620功耗低，最大工作电流为1．3 mA。AD620具有高精度(最大线性度40×10-6)、低失调电压(最大50μV)和低失调漂移(最大0．6μV／℃)的特性，是传感器接口等精密数据采集系统的理想选择。
AD620单片结构和激光晶体调整，允许电路元件紧密匹配和跟踪，从而保证电路固有的高性能。AD620为三运放集成的仪表放大器结构，为保护增益控制的高精度，其输入端的三极管提供差分双极输入，并采用β工艺获得更低的输入偏置电流，通过输入级内部运放的反馈，保持输入三极管的集电极电流恒定，并使输入电压加到外部增益控制电阻RG上。AD620内部增益电阻以调整至绝对值24．7 kΩ，因此利用一个外部电阻便可实现对增益的精确编程。
增益公式为

AD620放大后的电压信号可通过滤波整形电路，并经由模数转换器模块用数码管以数字形式显示。为充分利用和展示虚拟仪器的功能，系统使用LabVIEW设计相应的信号采集处理程序和显示器界面。
2．3 参考电压源电路和电压调零电路
参考电压源电路主要由一个稳压二极管LM285、一个低功耗双运算放大器芯片LM258、一只可变电阻和若干固定阻值电阻组成，如图2左下部分。该参考电压源电路可为AD620提供1．25 V或2．5 V精确参考电压。

稳压二极管LM285提供初级稳定电压，但由于二极管的温漂较大，且同批次不同二极管的稳压值也不尽相同，所以必须对其设计相应的辅助稳压电路。运算放大器LM258U1A对来自稳压二极管的电压进行放大，并通过反馈电阻R2对输出电压进行反馈，使得输出电压更加稳定。电阻R5和电位器W1对稳压二极管的输出电压进行分压。电位器W1有两个作用：(1)调节W1可使得由运算放大器LM258U1B组成的电压跟随器有不同的输出电压，进而对AD620提供不同的稳定参考电压。(2)电位器W1还对AD620组成的放大电路起到调零作用。使用电压跟随器是因为电压跟随器可以提高输入阻抗且降低输出阻抗，而电源的要求正是需要电路有较小的输出电阻。
AD620本身具有内部调零功能，但根据实际测量发现，当差分输入为零时输出并不为零，而是大约有零点几mV的输出，所以，为提高输出的精确性，还需对AD620进行外部调零，通过对AD620参考电压管脚提供不同参考电压可使得仪表放大器AD620输出端在差分输入为零时，输出电压对地为零。电路正是通过调节W1使得电压跟随器输出端有不同的电压输出，调节AD620的参考电压，从而起到对AD620调零的作用。
参考电压不稳定会直接影响到由AD620组成的放大电路的稳定性，并导致最终输出结果的不精确。所以系统并没有直接采用直流稳压源提供的相对稳定的-12 V或-5 V作为参考电压。
2．4 电压电流转换电路
电压电流转换电路使系统可以以电流的形式输出，由AD620与一个AD705运算放大器和两个电阻相结合，构成一个静谧的电流源，AD705为基准引脚提供缓冲，以确保良好的共模抑制(CMR)性能。AD620的输出电压出现在电阻RL上，后者将其转换成电流输出。