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【白皮书】利用信号调理提高测量质量(上)

发 布:2019/6/25 10:46:53查 看:58

简介

测量现实世界中的物理现象时,信号调理是精确测量传感器输出信号、提高采集质量的先决条件。就好像生长在农场中的小麦,在包装成杂货店里的一袋袋面粉之前,需要经过大量的预处理,原始信号必须经过清理、转换和适当的调整,才能成为人类或机器可以识别的信号。

针对不同的待测信号和测量仪器,应选用不同的信号调理方式。为了让您更加熟悉信号调理的基础知识,本文将讨论数据采集领域最常见的信号调理技术:

1、模拟输入前端拓扑

2、仪表放大器

3、滤波

4、衰减

5、隔离

6、线性化

7、电路保护

每种技术都有相应的优势和不足。本文力图阐明其最佳使用方法和常见应用场合。电路图和公式用于说明如何选取正确的电子元器件。理解这些信号调理技术的特点,将有助于您在相关应用中提高数据采集系统的测量精度。

1. 模拟输入前端拓扑
数据采集系统架构

就某些方面而言,数据采集系统有别于单通道或多通道的测量仪器。它可以同步测量几百个通道的输入数据,并进行存储,多数系统都具有8到32个通道,通道数一般是8的倍数。相比而言,一个可选量程的电压表可以被认为是一个数据采集系统,但需要手动选择量程,而且数据存储能力的缺乏,限制了其应用范围。

图1:数据采集系统结构框图。一个简单的数据采集系统前置多路复用输入段,后面跟一个仪表放大器(IA),将信号送入唯一的高精度、高成本的模数转换器(ADC)。这种结构避免了使用多个ADC所需要的昂贵成本。

图1说明了一个简单的数据采集系统包括切换网络(多路复用器)和模数转换器(ADC),而我们要讨论的对象,仪表放大器(IA),位于二者之间。每个电路模块都有独特的功能和使用限制,共同决定了系统的性能。

ADC是电路中模拟部分到数字部分路径中的最后一级。在任何一个数据采样系统中,例如多路复用数据采集系统,信号流进ADC之前,一个采样-保持阶段是非常必要的。ADC可能在数字化不断变化的电压模拟量时,无法充分利用其分辨率,除非电压变化相对于ADC的采样率而言较为缓慢。一些ADC具有内部采样-保持电路,或在电路结构上模仿这一过程。本文中,我们假设电路中的ADC模块包含采样-保持电路(内置或外置),可使输入信号在转换周期中保持稳定。

数据采集系统中的ADC,两个主要指标分别是分辨率和采样率,通常情况是16位或24位的分辨率和20kS/s至1MS/s的采样率,信号输入类型有单极性和双极性两种模式。单极性输入一般是0至某个正电压值或0至某个负电压值,双极性输入一般是从某个负电压至同等大小的正电压。许多数据采集系统在读取单极性或双极型信号时,都能够充分利用分辨率,这需要进行电平转换,使得双极型信号适应单极性ADC,反之亦然。举例来说,一个标准的16位分辨率,100kS/s采样率,输入范围±5V的ADC,可将输入信号量化为65536个单位,0V将对应的是名义上的第32768个单位。用10V的输入范围除以65536,得到的商代表1个最低有效位(LSB),即153μV。

图2:寄生的RC时间常数。信号源输出电阻应该尽可能的小,以减小MUX的寄生电容C和串联电阻R导致的RC时间常数,时间常数过大,可能对测量精度造成不利的影响。

信号源输出电阻过高,可能导致多路复用系统出现问题。因此,在多路复用系统中,信号源输出电阻必须足够小,图2中的RC电路很好的解释了这一点。多路数据选择器的输入端和输出端,都与地之间存在一个很小的寄生电容,这将在信号源输出电阻过高或系统采样率过高时,影响测量精度。RC电路可等效为直流电压源、电阻、开关和电容的串联,T = 0时,开关闭合,电容充电,通过10kΩ的电阻给100pF的电容充电时,RC时间常数为1μs,如果系统建立时间仅为2μs,电容只充有86%的电,误差高达14%。将电阻降低为1kΩ,可使电容在20个时间常数内,完成充电,而且精度有所保证。

图3A:输入电阻和信号源输出电阻。相对于输入电阻Ri,传感器的输出电阻Rs应该尽量小,以最小化输入到ADC的电压误差,对于mV级的信号来说,这也可以提高信噪比。

图3B:MUX的电荷注入效应。模拟开关设备的输入信号发生电平变化时,输出端可能产生尖峰脉冲,即电荷注入效应。降低信号源输出电阻可以减弱影响。

图3A显示了系统的输入电阻和传感器的输出电阻是如何串联成分压电路,并将注入ADC的信号衰减掉一部分的。多数模拟输入通道的输入电阻大于等于1MΩ,在信号源输出电阻较低的情况下,这并不是什么问题。然而,有一些传感器(例如压电传感器)的输出电阻比较高,应对其进行特殊处理。最后,使用多路数据选择器可有效提高数据采集系统的输入阻抗。

图3B演示了电荷注入效应。

运算放大器

许多传感器输出信号特别小,以至于不能直接接到低增益的多路复用数据采集系统的输入端,因此,信号必须先进行放大处理。两个例子分别是热电偶和电桥式应变计,输出信号通常低于50mV。

大多数数据采集系统使用不同结构的电路,在预处理中放大输入信号。随着现代模拟电路设计技术的发展,数据采集系统已经自带了集成运放,可轻松配置用于放大信号或缓冲信号。集成运放内部包含许多电路模块,在电路图中通常表示为简单的功能框图,外围电阻和电容的搭配,决定了其具体用途。集成运放的多功能特性使其特别适用于各种各样的信号调理。

图4:运算放大器。运算放大器的两个基本组态被称为反相组态和同相组态。放大系数等于反馈电阻和输入电阻的比值。

运算放大器多被用于反相组态和同相组态(见图4)。各种组态下,其理想增益都都反馈电抗和输入电抗的函数。此外,在一些特殊的配置下,运放可以用于实现其他的基本功能,例如电压跟随器或差分放大器。

反相放大组态


图5:反相放大组态。反相放大器的输出信号极性与输入信号相反,闭关增益等于两个电阻的比值,即 -(Rf / Ri) = - 100kΩ / 10kΩ = -10。

反相组态是运放最基本的工作组态之一。它可以输入参考自同一点的电压信号,输出放大并反相后的信号。运放的开环增益是非常高的,甚至达几十万,但理想运放的传输函数通常被假定为增益无穷大来简化引入,使其在计算级联增益时不会引入有效误差。

尽管运放具有如此高的增益,但输入信号看到的仅仅是由Rf和Ri组成分压器。负号表示输出信号与输入信号极性相反。传输函数的具体推到不在此进行,我们只给出相关计算公式。

公式1:反相放大器
Vo = –Vin(Rf/Ri)

其中:

Vo = 输出信号,单位V

Vin = 输入信号,单位V

Rf = 反馈电阻,单位Ω

Ri = 输入电阻,单位Ω
 

例,输入信号500mV,需要放大为-5V

Vo = -Vin(Rf/Ri)

-(Vo/Vin)= Rf/Ri

-(-5/0.50) = Rf/Ri = 10

因此,反馈电阻应为输入电阻的10倍,比如Ri选10kΩ,则Rf应选100kΩ(见图5)。
 

运放可安全处理的最大输入电压大约比电源电压低2V左右。例如,±15VDC供电的运放,输出信号不应超过±13VDC。这是限制运放处理信号能力的最重要的因素之一。

同相放大组态

图6:同相放大组态。工作于同相组态的放大器,输入输出信号极性相同,增益Acl = (Rf + Ri)/Ri = 11。
 

同相放大器和前面的反相放大器类似,但是输出信号极性与输入信号相同。同样的,增益只与组成分压器的两个电阻Rf和Ri有关(见图6)。
 

传递函数如下

公式2:同相放大器

Vo = Vin(Rf + Ri)/Ri
 

和上例一样,输入500mV信号时,

Rf = 100 kΩ, and Ri = 10 kΩ:

Vo/Vin = (Rf + Ri)/Ri,

Vo = Vi(Rf + Ri)/Ri

Vo = 0.50(100k + 10k)/10k

Vo = 0.50(110k/10k) = 0.50(11)

Vo = 5.5V
 

前面讨论的反相放大器的输入信号限制,同样适用于同相放大器。

差分放大器


图7:差分放大器。差分放大器的输出信号与两个输入端信号的差值有关,即Acl = g(V1-V2),g是增益。因为图中所有电阻大小均相等,所以增益为1。如果需要10倍的增益,则反馈电阻应设计为输入电阻的10倍,并且两个反馈电阻大小相等,输入电阻大小也相等。
 

相比而言,差分放大器具有比同相、反相放大器更多的优势。如图7所示,差分放大器实际上是同相放大器和反相放大器的组合。输入信号加在差分放大器的正输入端和负输入端之间,与地和其他公共参考点隔离开来,可选择的地,提升了差分放大器的灵活性。其输出信号仅取决于两个输入端之间的电压差,传入函数如下:
 
公式3:差分放大器

输入50mV的信号:

V1 = 1.050V and V2 = 1.000V

Vo = (Rf/Ri)(V1 – V2)

Vo = (100k/100k)(0.05 V)

Vo = 0.05 V
 
增益为10时,Rf = 100k,Ri = 10k:

Vo = (Rf/Ri)(V1 – V2)

Vo = (100k/10k)(0.05V)

Vo = 0.50V
 

差分放大器最大的优点在于它能够抑制两个输入端上信号完全相同的部分,即共模信号(Vcm或CMV)。将两个输入端连接到同一个电压信号时,即可看出共模电压的抑制程度,尽管电压出现在两个输入端上,但差分放大器仅仅响应两个信号的差(本例中为0),理想运放将输出0(更多信息请参考仪表运放和高共模信号放大器两部分)。

程控增益放大器

图8:程控增益放大器。程控增益的同相放大器,可通过MCU输出数字信号,以控制模拟开关。
 

程控增益放大器通常工作在同相组态,具有数字可控的模拟开关,来连接或断开反馈回路上的电阻。外部处理器或逻辑器件通过控制可寻址的模拟开关,来选择适当的反馈电阻,最终达到控制增益的目的(见图8),使得输入信号达到可测量的范围,并无失真地显示。

2. 仪表放大器
一个最基本的问题

有些传感器的输出信号是微伏级别的,对其进行放大处理时,接地回路问题和其他干扰频繁出现。有些传感器则从差分信号源输出信号,以最小化接地回路的问题,并降低共模干扰。这种放大器必须具有以下特性:

极低的输入电流、漂移和失调电压

稳定而精确的电压增益

高输入阻抗和共模抑制能力

虽然通用集成运放具有不止一级的放大器,并且使用超精密的电阻,但专用的仪表放大器(IAs)更适合这些应用。高性能运放仍然使用基本的电路结构,但是他们提供极高的共模抑制能力,并且在设定增益时,无需高精度的电阻。许多仪表运放被设计用于特定的应用中,并且具有独特的功能,用来提升精确性和稳定性。

图9:仪表放大器。仪表放大器(IAs)通常是具有高输入阻抗的差分放大器。
 

例如,数据采集系统中,开关选择网络后级的功能模块(见图9),通常是具有关键作用的仪表放大器。它能够抑制共模电压,放大差分信号,并驱动ADC的输入端。

高压共模放大器


图10:高压共模信号放大器。将运放的两个输入端连接至同一个电压源,来测试共模抑制能力。电位器用于调节放大器两个输入端的平衡,使共模影响达到最低。
 

共模电压被定义为两个输入端信号中完全相同的部分(见表10),当输入信号分别为4.10V和4.20V的时候,共模电压Vcm为4.10V,差模电压即0.10V。理想情况下,仪表放大器将忽略共模信号,只放大差模信号,放大器对共模信号的抑制能力可以用共模抑制比(CMRR)这一参数来衡量。仪表放大器的高压共模信号抑制能力和高压信号抑制能力是不同的,二者往往被混淆。
 

测量的信号电压往往比ADC的输入电压范围小得多,比如待测信号0-100mV,而ADC的典型输入范围是0-5V。因此需要对信号放大50倍,来充分利用ADC的分辨率。仪表放大器的增益一般能做到1至10000以上,但在多路复用系统中,增益一般控制在1至1000以内。
 

测量误差来自于非理想的模拟开关和信号源带来的电阻,但仪表放大器极高的输入电阻可以把误差降至最低,其输入端前级是两个电压跟随器,这种组态是通用放大器组态中输入阻抗最高的。极高的输入阻抗和极低的偏置电流,保证了模拟开关部分损耗的电压达到最小,为仪放输入端争取了更精准的输入信号。
 

另外,仪表放大器的低输出阻抗,特别适合驱动ADC的输入。一般的ADC并没有很高的或固定的输入电阻,因此其前级电路的输出电阻必须足够低。
 

失调电压、增益误差、带宽和稳定时间在一定程度上限制了仪表放大器的应用。失调电压和增益误差可以在测量结果中进行校准和补偿,但带宽和稳定时间限制了放大器可处理信号的频率以及多路复用系统中通道切换的速度。一连串稳定的直流电压连续不断地输入至仪表放大器,放大后的信号将是复杂的混合信号。稳定时间是指从信号输入到输出放大后的信号至稳定值(误差0.01%以内)所需要的最短时间。例如系统以100kHz的频率扫描输入端口,信号电压的读取要在10μs内完成,如果模数转换耗时8μs,那么留给输入信号达到稳定的时间就只剩下2μs。
 

虽然对系统进行校准可以降低失调电压和增益误差,但并不需要经常这样做。例如,放大器失调电压0.5mV,增益为2时,若输入信号为2V,理想输出电压应为4V,增益误差将导致输出电压偏移1mV,即0.025%;而失调电压不变,增益为50时,若输入信号100mV,理想输出电压应为5V,增益误差将导致输出电压偏移25mV,即0.5%。虽然失调电压相同,但随着增益的提升,0.25%的增益误差将产生显著的影响,在较高增益下将产生较大的绝对误差,单位增益的误差最小。系统软件可以做到已知修订系数的(mx+b)形式的修正,但有时并不值得这样做。

集成仪表放大器


图11:集成仪表放大器。仪表放大器具有极高的输入阻抗,电阻Rm用于调节增益,输出信号是V1和V2电压差的函数。
 

集成仪表放大器属于高质量的运算放大器,内部自带精密反馈网络,是放大微弱差分信号并在噪声环境中精确测量小信号的理想方案。其广泛适用于应变计、热电偶、RTD、分流器和压力传感器等多种传感器信号的直接测量,而无需外部信号调理电路。仪表运放通常配有三个放大器——两个差分输入放大器和一个差分输出放大器(见图11),增益通常由一个增益调整电阻控制,也有一些仪放具有内置程控增益功能。

程控增益仪表放大器

一类特殊的仪表放大器,程控增益仪表放大器(PGIAs),针对数据选择器输出的不同信号范围,能够在预置的几种增益之间快速切换,用于选取输入通道的数字电路即可同时选择增益。其原理和上面描述的程控增益放大器一样。
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