仪表放大器(IA)是检测应用的主力。本文将探讨一些利用仪表放大器的平衡和出色直流/低频共模抑制(CMR)特性的方法,使得仪表放大器配合阻性传感器(例如应变计)使用,传感器与放大器在物理上分离。本文将提出一些提高此类增益级的抗噪性,同时降低其对电源变化和元件漂移的敏感性的方法。文章还会提供实测性能值和结果以展示精度范围,方便最终用户应用进行快速评估。
详细说明
说到传感器,几乎没有什么能比得过惠斯登电桥(图1)。该电桥可产生差分电压,当物理参数变化时,差分电压会随之发生可预测的变化。差分电压还有抑制温度和时间漂移的附带好处。差分电压位于较大共模(CM)电压之上。使用仪表放大器来放大电桥提供的小信号。仪表放大器的优点在于,在电桥元件负载很少或没有负载的情况下,它可以检测差分电压并将CM抑制到传统运算放大器无法实现(因为要求外部电阻高度匹配)的程度。
图1. 惠斯登电桥
物理测量所用的电子设备常常远离被测物理参数。例如,埋在卡车称重站路面下方或桥梁结构内的应变计测量,不太可能位于读取测量结果的电子设备旁边。当使用双线四分之一桥接应变计(例如Omega公司的SGT-1/350-TY43)时,传感器放在远离检测放大器的地方,如图2所示,产生的结果不令人满意,即便传感器引线使用屏蔽双绞线也无效。
图2. 远程传感器设置受到环境噪声拾取的影响
问题在于,屏蔽双绞线不是对长电缆线路上的所有干扰都能抑制。在这种情况下,不能依靠仪器的良好平衡输入来消除CM影响。长电缆拾取的干扰对放大器正负输入的影响是不均衡的,而且输入包含CMR无法消除的不相关信号。因此,如图3所示,由于对CM噪声(看似如此)的响应不平衡,在电路输出端发现明显噪声并不奇怪。
图3. 麻烦的放大器输出端120 Hz 噪声(0.1 V/div ,2 ms/div )
为了从CM(直流和干扰)中成功提取很小的电桥差分电压,一种解决方案是使用两对屏蔽或非屏蔽双绞线(UTP)。这样,仪表放大器的两个输入实现均衡,受到的CM噪声影响相同,如图4所示。诸如LT6370之类的器件具有出色的低频CMR (120 dB),能够可靠地抑制困扰IA输入的噪声。结果,即使在嘈杂的环境中,远距离输出波形也很干净。
图4. 使用两根非屏蔽双绞线进行远程检测
有了LT6370的全部CMR功能,我们可以更进一步,通过减少一对接线来简化配置,仅留下一根UTP。此概念如图5所示,其中U2的输入保持平衡以获得良好的CMR。注意UTP引线看起来与U2相同,并有相同的对地阻抗(R2、R4)。
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