基于仪表放大器的信号放大实验装置的研制

舒凯跃

（浙江国际海运职业技术学院 浙江省舟山市 316000）

在信号的检测过程中，若被测信号带有幅值微弱、频率不稳定变化、易受外界磁场影响造成局部形态不连续性畸变的特点，那么我们在对具有上述特征的信号进行采样与放大的过程中就要特别注意信号的不失真问题，且在设计电路的过程中要使得放大电路具备一定的抗干扰性。在本装置中我们采用直流马达及其外围半桥式PWM调速电路的驱动方式，通过固定在马达转轴顶部的小片磁钢产生形态不规整的正弦三角波形信号，信号的频率受到PWM驱动调速电路的调节从而不断产生变化，为了产生实验所需的信号强度，通过不断调整检测电路与磁钢的距离将上述类正弦三角波形的峰峰值保持在25～40mv之间。

1 电机调速电路的设计及其特点

在本装置中围绕IR2104设计了PWM调速电路的基本解决方案。为了能使该电路更好的提供实验所需的信号源，我们在PWM驱动设计上需要注意以下几点：

1.1 MOSFET的栅极电阻阻值需合理选择

若阻值太大则米勒平台现象严重，若阻值过小，理论上MOSFET能快速的开通或者关断，但是也带来了另外一个问题：由于PCB布局在栅极处的ESL、MOSFET自身的ESC与栅极电阻构成了串联RLC电路，过小的电阻值容易在栅极产生RLC欠阻尼振荡。基于上述两个原因，合理的解决办法不应该是过于的增加电阻值，而是应该在PCB布局时尽量减少ESL。

1.2 振铃现象的抑制

由于本电路采用半桥方式驱动电机，在半桥方式下，上桥臂和下桥臂依次轮流导通，此运行方式与同步式DC降压BUCK开关电源类似，故而在上下桥臂与负载的连接点出会出现振铃现象。虽然不需要像开关电源那样根据负载电流选择RC snubber配比电路来精细化抑制振铃，但也还是需要一定的振铃抑制措施。电路中，连接点与电机之间的连线尽量粗且短以此达到减少ESL的目的，从而一定程度上抑制振铃。

1.3 考虑MOSFET内体二极管的反向恢复时间

由于MOSFET的体二极管和与马达并连的续流二极管都工作于反向偏置状态，理论上7.4伏的电压是被它们截止的，但是实际工作时，二极管都具有反向恢复时间，在这段时间内二极管都能够被反向导通。为了保证电路能够正常的工作，必须使得体二极管与续流二极管的反向恢复时间trr相对于PWM的周期以及死区时间在数量级上都不可比拟。翻阅CSD18540Q513的数据手册可知，其trr为82ns，而续流二极管SS54属于肖特基二极管，trr更小，故在此配置下电路能够正常工作。另外需要注意的是，MOSFET的反向恢复软度tf/td越大越好，否则易产生振铃。

2 信号放大电路的设计及其特点

本实验装置中的仪表放大器需要具有CMRR非常高，能很好的抑制共模量干扰的特点。根据综合参数评定，我们选用AD8421仪表放大器。其需要完成的功能可以综合归纳为：实现单电源供电下的惠斯通电桥方式（传感器KMZ10A）采集到的信号的不失真放大。如图3所示。

图1：半桥驱动电路拓扑结构

图2：半桥驱动电路PCB布局3D

2.1 共模干扰量的抑制

在设计基于仪表放大器的放大电路时，需要消除一个认知误区：认为共模量除了被消除的意义之外是没有其它存在价值的。我们通过仪表放大器普遍采用三运放结构可知，仪表放大器的输出端消除了共模信号，总增益是第一级增益和第二级增益的乘积

如图4所示，上述三运放结构图说明了两点：其一，虽然共模量在仪表放大器的输出端被消除了，但在仪放的内部是存在的；其二，若共模量的数值不合适就会在单电源的情况下出问题，分析：

（1）当共模量VCM很小，而G1又被用户设置的很大时，就会出现V1<0，但单电源供电情况下V1只能无限接近于0，发生削底现象；

（2）当共模量VCM很大，而G1也被用户设置的很大时，就会出现V2>VCC，但又不可能超过供电电压，故发生削顶现象。

总而言之，系统中输入信号的共模量是很难预知的，不像G1可以由用户自己调节。既然系统中自带的共模量很难预知，而共模量又那么重要，故而设计者可以采用这样的设计方案：把系统中的共模量通过电容除去，然后人为的加上大小可控的共模量，于是就有了下面的单电源供电情况下的方案（图5）。

通过C1、C2两个电容后，系统共模量中的直流共模量被消除，直流共模量也是影响波形摆幅的最主要成分。用户考虑供电电压等因素在C处输入共模量，从而使得A和B处的电平值包含合理的共模量。同时，R1和R2也起到为偏置电流提供回路的作用。

本实验装置中的电路设计则不需要这么麻烦，因为当KMZ10A采用5v供电时，由于该磁阻传感器的惠斯通电桥结构，在没有外界磁场变化的情况下，共模量为2.5v。我们将AD8421也采用同样的5v单电源供电，那么只要将增益设置为50倍（原始信号是峰峰值为40mv的正弦波），就不会出现上述的削底和削顶现象。测量简图如图6所示。

图3：放大电路基本功能模块组成

图4：普通仪表放大器内部三运放结构

图5：除去直流共模量的方案

图6：惠斯通电桥方式下的信号放大

2.2 缓冲器的选型与特点

仪表放大器的VREF引脚是为了将输出的差分信号抬升电平，但为VREF端提供2.5V电平的输入部分电路必需具备输出阻抗极低的特点，故而不能采取电阻分压获得2.5V电平的方式。由于普通运放具有很高的输入阻抗，很低的输出阻抗，故而往往可以被被作为缓冲器来使用。但并非所有的运放都能被接成单位增益(缓冲器)，否则容易产生输出信号的振荡。故而在本电路中，被作为缓冲器的运放需要满足以下条件：

（1）为了满足电压调节的精准性：运放需要KM以上级别的输入阻抗、极小的失调电压。

若运放的输入电阻过小，容易对外部的分压产生影响。同样的，如果运放的输入偏置电流为uA级别的话，则容易在同相端产生mV级别的偏置电压。LMP2021的输入阻抗为1GM，输入偏置电流为pA，另外片上自带自动调零电路实现零失调电压，满足上述要求。

（2）为了防止运放的输出产生振荡，要避免寄生电容的产生：高速运放由于具有很高的带宽，当接成单位增益时，高频部分的信号未经衰减而是全部被反馈到反相端，当不满足相位裕度和增益裕度时，容易产生输出振荡。但在低速运放中，高频部分已经衰减接近为0dB，所以大部分低速运放都可以接成单位增益，尽管如此，还是要仔细核实所选运放数据手册中的开环增益与相位裕度、增益裕度曲线。

（3）另外还需注意的运放布局事项：运放的输入引脚是整个运放抵抗干扰最脆弱的部分。LMP2021内置EMI抑制电路，但对于从输入端引入的噪声无法抑制。故在PCB布线时应该满足如下要求：

1.输入端布线应最大程度远离供电电源线与输出线。

2.将敏感信号线与噪声线垂直方向布局，避免因为平行放置而引入信号耦合。

3.输入端连线尽可能短。

3 结束语

本文提出了一种基于仪表放大器的信号放大实验装置，并对实验装置中的信号产生部分、信号采集放大部分的细节设计做了详尽的阐述。在本文中，以装置试验得出的数据为基本依据，将在装置开发过程中遇到的问题和解决问题的方案结合实际进行了论证。但是，由于实验条件的限制性，还未进行各种实验环境下的EMI综合评定测试，故而无法验证该实验装置在各种共模量干扰下信号测量的可靠性。研究尚需进一步验证和完善，以期得到更好的发现。