为了有效地工作,要求仪表放大器不仅能放大微伏级信号,而且还能抑制其输入端的共模信号。这就要求仪表放大器具有很大的共模抑制(CMR):典型的CMR值为70~100 dB。当增益提高时,CMR通常还能获得改善。
3 电流型传感器数据采集系统结构图
图1示出4~20 mA电流型传感器的信号如何连接到16 bit Simultaneous ADC AD7656。4~20 mA传感器的信号是单端的。这一开始就提出了需要1只简单的分流电阻器以便把电流转换成电压加到ADC的高阻抗模拟输入端。然而,回路(到传感器)中的任何线路电阻都会增加与电流相关的失调误差。
因此必须差分地检测该电流。在本系统中,1只24.9 Ω的分流电阻器在AD627的输入端产生介于100 mV(对应4 mA输入)与500 mV(对应20 mA 输入)之间的最大差分输入电压 在不存在增益电阻器的情况下,AD627把该500 mV输入电压放大5倍达到2.5 V,即ADC的满度输入电压。4 mA的零点电流对应于代码819,1 LSB对应0.61 mV。整个系统逻辑都通过CPLD进行控制并与DSP进行数据交换。
4 低功耗仪表放大器AD627特点及性能
AD627是一种低功耗的仪表放大器。他采用单、双两种电源供电,并可实现轨-轨输出。AD627在85 uA的电流下即可正常工作,并具有极佳的交流和直流特性。AD627采用工业标准8脚封装,引脚排列图如图2所示。
AD627的最大特点是允许用户使用一个外部电阻器来设定增益。AD627的失调电压、失调漂移、增益误差和增益漂移均较低,因此,AD627可将用户系统的直流误差降到最低。由于有较好的高频共模抑制比,AD627可保持最小的高频误差,也正是因为AD627具有较高的CMRR特性(可高达200 Hz),从而使得传输线干扰和传输线谐波等都被排斥掉了。AD627采用真正的仪用放大器结构,他有两个反馈环。其基本结构和典型的“双运放”仪用放大器类似,只是细节有所不同。另外,AD627所具有的一个“电流反馈”结构,使得AD627具有较好的共模抑制比。AD627的基本电路见图3所示。其中A1与V1,R5构成了第一个反馈回路,通过该回路可在Q1上得到稳定的集电极电流(假设增益设定电阻此时不存在)。电阻R1和R2组成的反馈环可使A1的输出电压和反向端电压相等。通过A2可形成另一个几乎完全相同的反馈环,他可使Q2的电流和Q1相等,同时A2还可提供输出电压。当两个环平衡时,同向端到VOUT的增益为5,A1输出到VOUT的增益为-4,A1的反向端增益是A2增益的1.25倍。AD627差动模式时的增益为1+R4/R3,额定值为5。AD627是通过电阻RG来设定增益的。
增益G的设定可按下式确定:G=5+(200 kΩ/RG)可以看出:AD627的最小增益为5(RG=∞时),在其增益精确度为0.05%~0.7%时,应使用0.1%的外部增益设置电阻以避免全增益误差的较大衰减。另外,增益设置电阻RG的选择可以从标准设置电阻表中选取最接近的值。分并检单双电源供电的轨一轨仪用放大器AD627比分立元器设计的放大器具有较好的直流交流性能,并且可以方便的用外部电阻设定增益,因而是传感器信号检测的较好选择。