基于AD620的微弱信号放大器设计

窦如凤，井娥林

(南京理工大学泰州科技学院，江苏泰州 225300)

0 引言

随着微电子技术、传感器技术和集成电路技术的发展，各型号传感器的检测精度显著提高，信号处理电路成为限制传感器测量精度的瓶颈[1]。现有的信号放大电路存在精度差、零点调节困难等缺陷，不能满足高精度传感器测量系统的要求，因此设计了一种基于AD620的微弱信号放大器。该放大器专用于处理各型号传感器输出的微弱电信号。以高精度压力传感器(精度0.05%)为例，采用设计的基于AD620的微弱信号放大器放大压力传感器输出的微弱电信号，利用最小二乘法拟合出相应的正相关数据曲线并将其换算成相应的压力值，以此验证基于AD620的微弱信号放大器的放大精度[2-3]。

1 系统整体设计

基于AD620的微弱信号放大器系统包括电压跟随器、AD620放大电路、零点偏移电路以及低通滤波电路，系统电路框图如图1所示。电压跟随器用于提高系统的输入阻抗，确保传感器输出的信号全都作用到后级放大电路上，零点漂移电路用于调整放大器输出的零点，当传感器未动作时输出电压为零，低通滤波电路进一步滤除信号中夹杂的干扰信号，提高系统放大的精度[4]。滤波电路输出的信号一方面可通过V/A转换电路将传感器输出信号转换为4～20 mA电流信号供其他仪表使用，另一方面可通过单片机的A/D转换器采集滤波电路输出的电压信号，最终计算得到传感器受到的压力值。

图1 系统原理图

2 基于AD620的微弱信号放大器硬件电路设计

2.1 电压跟随器

为了保证传感器输出的信号无损失地输入AD620放大电路中，在传感器输出的2个信号线中加入电压跟随器，电压跟随器具有输入阻抗高和输出阻抗低的特点，还可以将传感器与后级电路隔离开，降低传感器失效时对后级电路的影响[5]。电压跟随器预处理电路如图2所示。

图2 电压跟随器电路图

电压跟随器采用运放OPA2277，OPA2277具有极低的失调电压和温漂，非常适用于微弱信号放大电路中。R18、C23和R25、C28共同组成了一阶RC滤波电路，用于滤除传感器输出信号中的干扰信号，最终信号经过电压跟随器后送入AD620放大电路中。

2.2 AD620放大电路

AD620是低成本、高精度仪表放大器，只需要通过外接1个电阻就可以实现0～1 000的放大倍数[6]，AD620具有低失调电压，低至50 μV；低温漂，可低至0.6 μV/℃，其次还具有低噪声、低输入偏置电流等优点，非常适用于微弱信号的放大。AD620放大电路如图3所示。

图3 AD620放大电路图

滑动变阻器Rt用于调节电路的放大倍数，放大倍数，AD620的引脚5接地表示不需要调整零点，本系统为了使得传感器未动作时，放大器输出零，因此需要外接调零电路。AD620的输出电压如式(1)所示：

OUT1=G(AD+-AD-)+ADJ

(1)

式中：OUT1为AD620放大器输出电压；G为AD620的放大倍数；AD+、AD-分别为传感器输出的2根信号线； ADJ为零点偏移的调节电压。

2.3 调零电路

当传感器未动作时传感器输出的信号中夹杂噪声信号，经过AD620放大后输出的电压值不为零，因此在电路中引入调零电路来调整放大器输出的零点，使得当传感器未动作时，放大器输出电压为0[7-8]。调零电路如图4所示。

图4 调零电路图

本系统采用的OPA2277为双通道的精密运放，利用OPA2277的第1个通道作为反向比例放大电路，如图4中U12A，其目的是将正向端输入的+5 V变为反向端输出的-5 V，因此滑动变阻器Rb两端的的电压变化范围在-5～+5 V之间，再将OPA2277的第2个通道作为电压跟随器将电压反馈到AD620的REF端，以此来调节零点。由式(1)可知，首先通过调节滑动变阻器Rt来调节系统的放大倍数，然后再调节滑动变阻器Rb来调整调零电路的输出电压ADJ，最终使得在传感器未动作时放大器的输出电压为0。

2.4 滤波电路

滤波电路是放大器的重要组成部分，为了有效滤除放大器输出信号中的干扰信号，需要利用有源二阶低通滤波电路滤除信号中的干扰信号[9]。系统设置低通滤波电路的截止频率为10 kHz，放大增益设为1，二阶有源低通滤波电路如图5所示。

图5 滤波放大电路图

2.5 V/A转换电路

经过二阶有源低通滤波电路后，可利用V/A转换电路将放大器输出的0～3.3 V电压转换为4～20 mA电流信号供其他仪表使用[10]，V/A转换电路如图6所示。

图6 V/A转换电路图

3 系统性能测试

经过二阶有源低通滤波器后输出的电压信号已经非常平稳，此时可利用单片机的A/D转换器进行采集。为了验证系统设计的放大器的放大精度和抗干扰性，系统将放大器配合压力传感器一起测试，首先利用固定砝码对整个放大器系统进行标定，可通过最小二乘法拟合出传感器所受压力值与输出电压的线性曲线，最终计算得到压力值，可通过拟合的线性曲线来求出压力值，以此来证明该放大器的放大精度。传感器采用高精度(0.05%)压力传感器，该传感器的量程为0～980 N，传感器实物图如图7所示。

图7 压力传感器实物图

将该传感器接入设计的的放大器电路中，首先通过调节滑动变阻器Rt来调整放大器的放大倍数，再通过调节零点调整电路中的Rb，当传感器未受压力时使得放大器输出的电压为0。将标准砝码放在传感器上，利用高精度万用表测量放大器的输出电压，测试结果如表1所示。

表1 压力与输出电压标定实验

针对上述数据利用最小二乘法拟合出数据曲线，线性度非常高，得到线性关系式：

y=0.027 47x

(2)

式中：y为所加的砝码质量，kg；x为放大器输出的电压值，mV。

再根据拟合出的压力-电压数据曲线，推算传感器加载的压力值，测试数据如表2所示。

表2 放大器精度测试

由上述测量数据可知，系统输出的整体误差小于0.1%，由此可见系统设计的放大器精度高，放大器的误差小于0.1%。系统设计的微弱信号放大器可作为各型号传感器的变送器，用于调理传感器输出的信号。

4 结束语

本文设计了一种基于AD620的微弱信号放大器，该放大器与传统放大器相比具有如下优势：通过选用高精度、低温漂的集成放大器芯片进一步提高系统的测量精度；设计了一种新的调理电路实现放大器的零点调节；在放大器的输出中额外引入V/A转换电路，可将输出电压转换为4～20 mA电流信号供其他仪表使用，扩大了该放大器的使用范围。实际测试结果表明，该电压放大器精度高，误差小于0.1%，可用于放大各型号传感器输出的微弱信号以及作为传感器的变送器使用，具有很大的实用意义。