浙江省杭（háng）州市質量計量監測中心  厲誌飛（fēi）

    在對（duì）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（dà），要求（qiú）放大器有足夠大的共（gòng）模抑製能力、很強的（de）差模電壓放大能力（lì）、很（hěn）高的輸入阻抗和穩定的工作性能。但當傳感器的輸出（chū）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（yóu）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製能力不足、外接電阻匹配不準確，則傳（chuán）感器的（de）輸出引線電阻、噪聲（shēng）等（děng）將在放大（dà）電路的輸出（chū）端引起更大的共模（mó）幹擾。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（dì）放大有用的差模信號。如果（guǒ）共模信號幅（fú）值超過電路的電源電壓（yā），則運放還將被損（sǔn）壞。

　　一、信號預處理電（diàn）路

　　1.放大器的選用
　　從傳感器的輸出到放大器的（de）輸入端之間，有可能引入的幹擾主（zhǔ）要有:工（gōng）頻幹擾、靜電（diàn）幹擾、電磁耦合幹擾和共模幹擾(即兩條或兩條以上信號（hào）線的電壓耦（ǒu）合)。選用儀用放（fàng）大器一（yī）般（bān）可（kě）以（yǐ）滿足傳感器對放（fàng）大器的抗幹擾要求（qiú）。如采用AD521型集成精密儀用放大器，隻需外接兩隻電阻，就可以獲（huò）得0.1～1000的（de）可調增益，且外接電阻的變化不影（yǐng）響整個電路的（de）共（gòng）模抑製能力和（hé）電路的輸入阻抗，即對外接電阻的要求不高，易於實現；另外AD521還具有30V的差模輸入範圍和較強的過載（zǎi）能力、40MHz的帶寬（kuān）和（hé）良好的動（dòng）態特性。

　　當傳感器輸出信號（hào）的範圍較大時，如(0.035～5)V，很（hěn）明顯不能用同一增益的放大（dà）電路進行放大，否則在輸入信號較小時，輸出信號將小於一（yī）半量程，而輸入（rù）信號較大時卻使放大電路處於飽和狀態，在這種場（chǎng）合宜采用可編程放大器。可編程放大器與采（cǎi）樣保持放（fàng）大器及A/D轉換器組合在（zài）一起，配置適當（dāng）的軟件，很容易實現傳感器輸出信號（hào）的自動增益控製或量程的自動轉換。

　　2.放大器內部幹擾的抑製
　　在調（diào）理電路中（zhōng），放大器的主要幹擾源有3種:①本機內部形成的有害的熱電偶等所產生的熱電勢幹擾；②接口電路內子係統間（jiān）的耦合，如子係統接地（dì）點不在同一點而產生的（de）共模幹擾；③外（wài）部產生的如（rú）電源頻率等電磁感應耦合和電容耦合產生（shēng）的幹擾。熱電勢幹擾的產生（shēng）主要在傳感器信號（hào）輸出端相鄰的任何通（tōng）道中（zhōng），如焊錫與導線、導線與導線及接插件之間的（de）接點可能形（xíng）成的熱（rè）電（diàn）偶。這些幹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（jiān）的熱梯度減至最小；在檢測弱電流時，和它（tā）有關的（de）元器件和印刷電路板的表麵漏（lòu）電（diàn）流也必（bì）須盡量（liàng）減小，故表麵須進（jìn）行絕緣處理，並將（jiāng）印刷電（diàn）路板上的輸入端用（yòng）接地的環狀線包圍起來。共模幹擾可通過接地與去耦的方式消除。外部（bù）產生的幹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（fàng）的（de）反饋電阻阻值很大時，運放幾乎處在開環狀態，會產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（fēi）常小的運（yùn）放，如7650，其失調電壓的溫漂為0.05μV/℃，輸入（rù）電流為0.01nA，並具有自動校零功能（néng）；也可采（cǎi）用AD515，AD515的（de）輸入電流小於0.075pA，失調電壓小於1mV，失調電壓的溫漂為15μV/℃。

　　3.濾波器（qì）的選擇
　　傳感器的輸出信號一般是緩慢變化的，故對各種外界幹擾（rǎo）所引起的噪聲及其它信號的濾除比較容易。而對低（dī）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，通常產生相當於高頻的信（xìn）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（yīng）加在信號放大器後。    

　　二（èr）、非線性補償

　　1.利用擬合（hé）函數實現非線性補償
　　傳感器的輸出信號常有一定的非線性，應（yīng）進行非（fēi）線性補償。選擇適當的擬合函（hán）數，改變（biàn）預處理電路的構（gòu）成，利用能實現（xiàn）擬合函數的電路作為傳感器預處理電（diàn）路的一部分，則在補償範（fàn）圍內，傳感器（qì）的（de）非線性可基（jī）本線性化，誤差可減小到要求的（de）範圍以內（nèi）。擬合函（hán）數的選擇要求能（néng）將剩餘的誤差限製在有限（xiàn）範圍內，且對輸（shū）入信號是單值性的。采用連續函數作為擬合函數雖然要進行（háng）較多的數學運（yùn）算，但誤（wù）差函數是平滑、連續的（de），故結果易於觀測分析。常（cháng）用的擬合函數有:1/x，x^m，lgx，Ax+Bx³等。另外，利用與傳（chuán）感器已知傳輸函數相互補的電路，可實現某些傳感器的非線性補償（cháng），如用對數器件補償所測得的指數函數等。
　　在小信號輸出時具有良好的線性，而（ér）在大信（xìn）號階段出現的如圖1所示非線性的某熱電偶響（xiǎng）應特（tè）性曲線(補償前線性範圍在（zài）400℃以內（nèi）)。
    

    圖1

　　可以采用連續函數的擬合（hé）將線性範圍擴大到y_h=800℃(y_h>y_l=400℃)，目的就是把傳感器的傳輸特性在y_h內由曲線轉換成直線:設y=ax+bx²，在線性範圍內找一點y_l<y_L(如y_l=250℃)，在實（shí）際傳輸特性曲線上可對應得到X₁=13.5mV；再在非線性範圍內（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（dé）到X₂=42.3mV。分別把以上兩（liǎng）對數據代入，得y=18.85X+0.026X²。經此（cǐ）擬合，在y≤y₂的範圍內誤（wù）差幾乎為（wéi）零。

　　2.利用模擬乘法器進行非線性補償
　　整數冪多項（xiàng）式的建立（lì）可通過模擬（nǐ）乘法器（qì）和（hé）運放實現，非整數冪多（duō）項式則可利用對（duì）數多功能組件（jiàn）來建立。利用模擬乘法器AD534對不（bú）平衡電橋進行非線性補償（cháng）為（wéi）例，原理電路如圖2所示（shì）。
    

    圖2  模擬乘法器的非線性補償作用

    由（yóu）圖可知儀用放大器的輸出電壓:V₁=KV_i[δ/(1+δ/2)]
    K——橋路（lù）輸（shū）出係數和儀用放大器增益之積。將AD534的刻度係（xì）數取為10，則（zé）:
    (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（bǐ）。適（shì）當選擇參數使KβV_i=5V，代入可得
    
    從上式可見，(1+δ)R電阻的（de）變化在V₀處被線性地反映了出來。這種線性化（huà）方法，能成功地對應（yīng）變片、熱敏電阻、壓力傳感（gǎn）器等橋路的非線性進（jìn）行補償。

　　 合理構成傳感器的信號調理電（diàn）路，科學處理印刷電路（lù）板及元器件的分布，能有效地減小誤差、提高（gāo）係（xì）統的抗幹擾能力；而利用連續函數（shù）的擬合、具有互補性能的非線（xiàn）性器件則能成功地對傳感器不可（kě）避免的非線性進行（háng）線性化補償（cháng），從而提高整個係（xì）統的檢測準確度。