浙江省杭州市質(zhì)量計量監(jiān)測中心  厲志飛

    在對傳感器輸出信號進行預處理的過程中，往往要把微弱的信號進行放大，要求放大器有足夠大的共模抑制能力、很強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。但當傳感器的輸出電阻不為零時，運放的等效輸入阻抗將不對稱，從而使單運放的失調(diào)增加，尤其是在運放輸入阻抗較低時更為嚴重。如果放大電路的共模抑制能力不足、外接電阻匹配不準確，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。而運放輸出端較大的共模輸出信號，將使運放的線性度下降而難以有效地放大有用的差模信號。如果共模信號幅值超過電路的電源電壓，則運放還將被損壞。

　　一、信號預處理電路

　　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線的電壓耦合)。選用儀用放大器一般可以滿足傳感器對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電路的共模抑制能力和電路的輸入阻抗，即對外接電阻的要求不高，易于實現(xiàn)；另外AD521還具有30V的差模輸入范圍和較強的過載能力、40MHz的帶寬和良好的動態(tài)特性。

　　當傳感器輸出信號的范圍較大時，如(0.035～5)V，很明顯不能用同一增益的放大電路進行放大，否則在輸入信號較小時，輸出信號將小于一半量程，而輸入信號較大時卻使放大電路處于飽和狀態(tài)，在這種場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?shù)能浖苋菀讓崿F(xiàn)傳感器輸出信號的自動增益控制或量程的自動轉(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本機內(nèi)部形成的有害的熱電偶等所產(chǎn)生的熱電勢干擾；②接口電路內(nèi)子系統(tǒng)間的耦合，如子系統(tǒng)接地點不在同一點而產(chǎn)生的共模干擾；③外部產(chǎn)生的如電源頻率等電磁感應耦合和電容耦合產(chǎn)生的干擾。熱電勢干擾的產(chǎn)生主要在傳感器信號輸出端相鄰的任何通道中，如焊錫與導線、導線與導線及接插件之間的接點可能形成的熱電偶。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；同時應將大功率電路與小功率電路彼此分開，使電路各部分之間的熱梯度減至最??；在檢測弱電流時，和它有關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。共模干擾可通過接地與去耦的方式消除。外部產(chǎn)生的干擾一般可應用屏蔽與防護技術來降低甚至消除其影響。另外，當運放的反饋電阻阻值很大時，運放幾乎處在開環(huán)狀態(tài)，會產(chǎn)生較大的輸出電壓漂移，此時應選用漂移量非常小而且輸入電流也非常小的運放，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
　　傳感器的輸出信號一般是緩慢變化的，故對各種外界干擾所引起的噪聲及其它信號的濾除比較容易。而對低頻和超低頻信號的濾除，集成有源濾波器最合適。如壓電式傳感器，通常產(chǎn)生相當于高頻的信息，對采用的濾波器要求具有較高的噪聲截止頻率。另外，傳感器信號的濾波電路一般應加在信號放大器后。    

　　二、非線性補償

　　1.利用擬合函數(shù)實現(xiàn)非線性補償
　　傳感器的輸出信號常有一定的非線性，應進行非線性補償。選擇適當?shù)臄M合函數(shù)，改變預處理電路的構(gòu)成，利用能實現(xiàn)擬合函數(shù)的電路作為傳感器預處理電路的一部分，則在補償范圍內(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)，且對輸入信號是單值性的。采用連續(xù)函數(shù)作為擬合函數(shù)雖然要進行較多的數(shù)學運算，但誤差函數(shù)是平滑、連續(xù)的，故結(jié)果易于觀測分析。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)相互補的電路，可實現(xiàn)某些傳感器的非線性補償，如用對數(shù)器件補償所測得的指數(shù)函數(shù)等。
　　在小信號輸出時具有良好的線性，而在大信號階段出現(xiàn)的如圖1所示非線性的某熱電偶響應特性曲線(補償前線性范圍在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y=ax+bx²，在線性范圍內(nèi)找一點y_l<y_L(如y_l=250℃)，在實際傳輸特性曲線上可對應得到X₁=13.5mV；再在非線性范圍內(nèi)找一點y_L<y₂<y_h，如y₂=750℃，在實際傳輸特性曲線上可對應得到X₂=42.3mV。分別把以上兩對數(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.利用模擬乘法器進行非線性補償
　　整數(shù)冪多項式的建立可通過模擬乘法器和運放實現(xiàn)，非整數(shù)冪多項式則可利用對數(shù)多功能組件來建立。利用模擬乘法器AD534對不平衡電橋進行非線性補償為例，原理電路如圖2所示。
    

    圖2  模擬乘法器的非線性補償作用

    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。適當選擇參數(shù)使KβV_i=5V，代入可得
    
    從上式可見，(1+δ)R電阻的變化在V₀處被線性地反映了出來。這種線性化方法，能成功地對應變片、熱敏電阻、壓力傳感器等橋路的非線性進行補償。

　　 合理構(gòu)成傳感器的信號調(diào)理電路，科學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、具有互補性能的非線性器件則能成功地對傳感器不可避免的非線性進行線性化補償，從而提高整個系統(tǒng)的檢測準確度。