摘要：本文介紹了ADI公司自動穩(wěn)零精密儀表放大器AD8230的基本工作原理、使用要點及自動穩(wěn)零技術(shù)，給出了以該芯片為核心的一種低噪聲、高增益精密應變測試儀的設計電路。實驗表明測試儀zui大動態(tài)測量誤差≤1.53‰。
　　
　　1、引言
　　
　　應變片式傳感器應用十分廣泛，它一般采用電橋式電路結(jié)構(gòu)，以提高輸出靈敏度。但一個微應變橋路輸出只有2mV/V左右，即使在滿載情況下，應變片的zui大輸出也只有數(shù)十mV，這就要求前置測量放大電路具有高增益、高精度、低噪聲、低漂移等特點。一般集成運算放大器都是利用參數(shù)補償原理的直接耦合或者阻容耦合方式，它們的初始失調(diào)參數(shù)并不等于零，而是用調(diào)零電位器或精密修正技術(shù)的調(diào)節(jié)來進行失調(diào)參數(shù)的補償。如此使得直接耦合放大器在放大信號的同時也放大了溫漂，而阻容耦合放大器雖能抑制溫漂，但不能用來放大微弱的直流信號或緩慢變化的信號，它會將這種信號作為溫漂給抑制掉。使用自動穩(wěn)零技術(shù)的精密儀表放大器AD8230就能很好地解決抑制溫漂又放大微弱直流信號這個問題，以滿足精密應變測試儀的設計要求。
　　
　　2、放大器AD8230的工作原理與特性
　　
　　AD8230是ADI公司推出的一款利用動態(tài)校零技術(shù)兼?zhèn)涑⌒蚐OIC工藝制作的穩(wěn)零式精密儀表放大器。與工業(yè)標準AD62×系列儀表放大器相比，AD8230有許多關(guān)鍵的性能提高：具有109Ω的高輸入阻抗，能有效地抑制信號源與傳輸網(wǎng)絡阻抗不對稱引起的誤差；在-40℃~+125℃的工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓為10μV、失調(diào)電壓溫度漂移只有50nV/℃，共模抑制比高達140dB，能有效地抑制共模干擾引入的誤差，提高系統(tǒng)信噪比和對溫度影響的抵抗能力；輸入輸出擺幅可達電源限（-VS~+VS），以適應信號源電平的較寬范圍；具有較高的增益及較寬的增益調(diào)節(jié)范圍（G=2~1000），其典型增益誤差為±0.01%，增益非線性誤差僅為20ppm，有效地保障了系統(tǒng)的測量精度。　　
　　放大器增益由兩只外部電阻器設置以便溫度系數(shù)（TC）匹配,如圖1所示，增益G=2（1+RF/RG）。為使增益誤差及增益漂移zui小，RF、RG應選用低溫度系數(shù)的精密電阻器，TC應低于10ppm/℃為佳。
　　
　　AD8230由參考端電位確定零輸出電壓，當負載與系統(tǒng)地不明確共地時特別有用，它提供一種對輸出引入精密補償?shù)闹苯臃椒?，利用參考端還可提供一個虛地電壓放大雙極性信號。若AD8230相對地輸出，則參考端應接地，為了使接地回路阻抗zui小，達到*的CMR，參考端應接到一個低阻抗接點，建議使用接地平面。
　　
　　AD8230采用精心設計和布線，確保在低輸入信號條件下也能保持高精度。其平衡的線路走勢減少了對CMR性能有不利影響的寄生效應，*的引腳排列簡化了PCB布線，因為相關(guān)印制線都分組靠近在一起，輸入、輸出部分被地線引腳隔離。
　　
　　3、自動穩(wěn)零原理
　　
　　自動調(diào)零（或自穩(wěn)零）是一種動態(tài)地抵消失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移的技術(shù)，它能將相對輸入端的失調(diào)電壓降低到μV級，將失調(diào)電壓漂移降低到nV/℃級。動態(tài)抵消失調(diào)的另一優(yōu)點是可降低低頻噪聲，特別是1/f噪聲。自動穩(wěn)零運算放大器的基本指導思想是：如果能將運放兩個輸入端短路時或加共模輸入信號時的輸出電壓（誤差電壓）先用電容器寄存起來（簡稱采樣），再與運放正常工作時的輸出電壓相減（簡稱校零），則可有效地減小失調(diào)電壓、失調(diào)電流及溫度變化和電源電壓波動所引起的漂移，也可有效地抑制共模信號。
　　
　　AD8230具有自穩(wěn)零電路結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部信號路徑由一個有源差分采樣保持級（前置放大器）和一個差分放大級（增益放大器）組成。兩級放大器都能實現(xiàn)自穩(wěn)零，使失調(diào)和漂移減少到zui低，全差分電路結(jié)構(gòu)增強了對寄生噪聲的抵抗能力。自穩(wěn)零基本原理如圖2所示，現(xiàn)以兩個相繼時鐘相位A、B分別描述其內(nèi)部工作順序。　　
　　電路通過電子開關(guān)來切換兩個階段循環(huán)工作：在時鐘上半周期，電路處于采樣階段，采樣電容器CSAMPLE連接到信號輸入端，該輸入信號的差分電壓VDIFF被儲存在CSAMPLE上，共模電壓被抑制。在此期間，增益放大器與前置放大器斷開以使其輸出保持在以前采樣的輸入信號幅度；在時鐘下半周期，電路處于動態(tài)校零和放大階段，CSAMPLE上采集的差分信號被提供給增益放大器，刷新儲存在CHOLD上的電壓值，并由增益放大器放大。當CSAMPLE連接到前置放大器的輸出端時，前置放大器的共模輸出電壓被下拉到參考電位VREF。用這種方法，使CSAMPLE與前置放大器有相同的共模電壓。
　　
　　4、精密應變測試儀的實現(xiàn)
　　
　　應變測試儀主要由橋壓產(chǎn)生、射頻干擾（RFI）濾波、共模抑制、信號放大、低通濾波和緩沖驅(qū)動等電路構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。　　
　　在實際應用環(huán)境中，不斷增加的射頻干擾，可能被放大器整流后表現(xiàn)為難以消除的直流失調(diào)誤差，同時考慮到信號傳輸線路長、強度弱的情況，在儀表放大器前設置一個差分低通濾波器，用以盡可能多地從輸入端去除RF能量，保持每個輸入端與地之間的AC信號平衡，以及在測量帶寬內(nèi)保持足夠高的輸入阻抗以避免降低對輸入信號源的帶載能力。
　　
　　應變傳感器工作電壓由橋壓產(chǎn)生電路供給，其穩(wěn)定性直接影響到輸入信號的測量精度。為使測量誤差及輸入信號漂移zui小，橋壓電路應選用低溫度系數(shù)的精密基準穩(wěn)壓集成電路，如LM399、LM3999等。它們采用次表面隱埋技術(shù)，具有長期穩(wěn)定性好、噪聲電壓低等優(yōu)點，其優(yōu)異的恒溫特性αT＝（0.3～2）×10－6/℃，可有效消除溫度變化對基準電壓的影響。
　　
　　系統(tǒng)增加了共模抑制電路，可進一步減小系統(tǒng)噪聲和直流零點漂移誤差，提高測試精度；在儀表放大器輸出端設置一個低通濾波器以濾除高頻分量，降低低頻噪聲；增加緩沖驅(qū)動電路加大放大器的帶載能力，在放大器與負載相距較遠時，效果明顯。該系統(tǒng)解決了以往應變儀中頻帶不足、精度不高等難題，是一種新型的精密測試儀器。
　　
　　5、AD8230在應變測試儀中的應用
　　
　　AD8230集成放大器在精密應變測試儀中主要用于共模抑制、信號放大、自動穩(wěn)零和輸出緩沖等。
　　
　　5.1共模抑制電路
　　
　　因應變電橋輸出電壓很弱，信號傳輸大多采用屏蔽電纜。在遠距離測量時，信號線與電纜屏蔽層之間存在不容忽視的分布電容，若將屏蔽層直接接地，則當兩個輸入端各自對地電容不等時，將使系統(tǒng)的共模抑制能力下降，影響后級測量精度。如圖4采用一種積極的數(shù)據(jù)保護措施，將屏蔽層適當驅(qū)動后接于共模信號相等電位點上，改善ACCMR，從而不產(chǎn)生泄漏電流，有效增強信噪比。　　
　　5.2輸出濾波、驅(qū)動緩沖電路
　　
　　AD8230放大器驅(qū)動負載能力較小，僅為驅(qū)動10kΩ以上負載阻抗。若負載阻抗小于10kΩ，其輸出端應再加一級精密驅(qū)動緩沖器。根據(jù)應用頻段，在輸出端加設一個低通濾波器以濾除高頻分量，推薦選用UAF42AU。它集濾波、驅(qū)動為一體，通過改變管腳間連接，可靈活實現(xiàn)低通、高通、帶通或帶阻濾波。當驅(qū)動負載為2kΩ時，UAF42AU輸出擺幅為±11.5V，可滿足測試儀在各領域的應用要求。輸出緩沖電路如圖5所示。　　
　　6、結(jié)束語
　　
　　該集成電路可取代分立器件構(gòu)成的儀表放大器，具有線性度優(yōu)良、溫度穩(wěn)定性高、體積小、可靠性高等特點，可用作低功耗醫(yī)用儀表放大器、熱電偶放大器、電橋應變測量放大器及用于傳感器接口、工業(yè)過程控制、低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。由其構(gòu)成的應變測試儀被廣泛應用于物料計量稱、動態(tài)汽車衡、傳感器儀表等，大量實踐表明，該測試儀zui大動態(tài)測量誤差≤1.53‰。