如何使用高精度儀表放大器實現遠程檢測

2020-12-27 電子發燒友

如何使用高精度儀表放大器實現遠程檢測

電子工程專輯 發表於 2020-12-26 09:08:27

儀表放大器（IA）是檢測應用的主力。本文將探討一些利用儀表放大器的平衡和出色直流/低頻共模抑制（CMR）特性的方法，使得儀表放大器配合阻性傳感器（例如應變計）使用，傳感器與放大器在物理上分離。本文將提出一些提高此類增益級的抗噪性，同時降低其對電源變化和元件漂移的敏感性的方法。文章還會提供實測性能值和結果以展示精度範圍，方便最終用戶應用進行快速評估。

詳細說明

說到傳感器，幾乎沒有什麼能比得過惠斯登電橋（圖1）。該電橋可產生差分電壓，當物理參數變化時，差分電壓會隨之發生可預測的變化。差分電壓還有抑制溫度和時間漂移的附帶好處。差分電壓位於較大共模（CM）電壓之上。使用儀表放大器來放大電橋提供的小信號。儀表放大器的優點在於，在電橋元件負載很少或沒有負載的情況下，它可以檢測差分電壓並將CM抑制到傳統運算放大器無法實現（因為要求外部電阻高度匹配）的程度。

圖1. 惠斯登電橋

物理測量所用的電子設備常常遠離被測物理參數。例如，埋在卡車稱重站路面下方或橋梁結構內的應變計測量，不太可能位於讀取測量結果的電子設備旁邊。當使用雙線四分之一橋接應變計（例如Omega公司的SGT-1/350-TY43）時，傳感器放在遠離檢測放大器的地方，如圖2所示，產生的結果不令人滿意，即便傳感器引線使用屏蔽雙絞線也無效。

圖2. 遠程傳感器設置受到環境噪聲拾取的影響

問題在於，屏蔽雙絞線不是對長電纜線路上的所有幹擾都能抑制。在這種情況下，不能依靠儀器的良好平衡輸入來消除CM影響。長電纜拾取的幹擾對放大器正負輸入的影響是不均衡的，而且輸入包含CMR無法消除的不相關信號。因此，如圖3所示，由於對CM噪聲（看似如此）的響應不平衡，在電路輸出端發現明顯噪聲並不奇怪。

圖3. 麻煩的放大器輸出端120 Hz 噪聲（0.1 V/div ，2 ms/div ）

為了從CM（直流和幹擾）中成功提取很小的電橋差分電壓，一種解決方案是使用兩對屏蔽或非屏蔽雙絞線（UTP）。這樣，儀表放大器的兩個輸入實現均衡，受到的CM噪聲影響相同，如圖4所示。諸如LT6370之類的器件具有出色的低頻CMR （120 dB），能夠可靠地抑制困擾IA輸入的噪聲。結果，即使在嘈雜的環境中，遠距離輸出波形也很乾淨。

圖4. 使用兩根非屏蔽雙絞線進行遠程檢測

有了LT6370的全部CMR功能，我們可以更進一步，通過減少一對接線來簡化配置，僅留下一根UTP。此概念如圖5所示，其中U2的輸入保持平衡以獲得良好的CMR。注意UTP引線看起來與U2相同，並有相同的對地阻抗（R2、R4）。

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