傳感器放大器零點(diǎn)漂移的分析及電路設(shè)計(jì)

張婷 中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院

傳感器是機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)與控制的重要環(huán)節(jié)，其中微弱信號(hào)由傳感器采集，然后經(jīng)過放大器放大才能進(jìn)行測(cè)量。然而，受到溫度變化、電壓不穩(wěn)的影響，電路輸出端的電壓偏離固定值，就會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，通過電路設(shè)計(jì)對(duì)零點(diǎn)漂移進(jìn)行抑制，成為工作人員的研究重點(diǎn)。以下對(duì)此進(jìn)行探討。

1 零點(diǎn)漂移的發(fā)生原因和抑制措施

1.1 發(fā)生原因

放大器的工作采用直接耦合方式，各級(jí)均產(chǎn)生放大效果，如果第一級(jí)發(fā)生微弱變化，輸出級(jí)就會(huì)出現(xiàn)明顯變化。一旦輸入短路，此時(shí)輸出就會(huì)變化，繼而形成零點(diǎn)漂移，嚴(yán)重情況下會(huì)使信號(hào)淹沒，此時(shí)放大電路無法正常工作。分析該現(xiàn)象的發(fā)生原因如下：①電源電壓不穩(wěn)；②元器件參數(shù)變化；③外界環(huán)境溫度變化。其中，溫度變化是主因，晶體管對(duì)溫度比較敏感，隨著溫度的變化，晶體管的工作參數(shù)也會(huì)變化，放大電路就會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移。

1.2 抑制措施

結(jié)合工作實(shí)踐，抑制零點(diǎn)漂移的措施主要如下：①選用高質(zhì)量硅管，嚴(yán)格控制晶體管的制作工藝，尤其保證半導(dǎo)體表面清潔，能減小漂移程度。②將直流負(fù)反饋引入電路，能穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。③溫度補(bǔ)償，增設(shè)熱敏元件，抵消放大器產(chǎn)生的漂移現(xiàn)象，將漂移量控制在較低限度。④通過調(diào)制，首先將直流變化量轉(zhuǎn)化為其他變化量，然后利用較小漂移的阻容耦合電路進(jìn)行放大，最后還原放大信號(hào)。⑤基于溫度補(bǔ)償原理下，可以利用型號(hào)和特性相同的2只晶體管進(jìn)行補(bǔ)償，設(shè)計(jì)出差動(dòng)放大電路。

2 傳感器放大器的使用要求和常見問題

2.1 使用要求

如下圖1，傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、變換電路、輔助電源四個(gè)部分組成。其中，放大器的主要功能是采集并放大傳感器的輸出信號(hào)，對(duì)于放大器的要求如下：①高放大倍數(shù)，能放大微弱信號(hào)，滿足測(cè)量和利用需求；②高阻抗，減少對(duì)信號(hào)造成的影響；③高共模抑制比，避免線路串入產(chǎn)生共模干擾。

圖1 ：傳感器的基本組成結(jié)構(gòu)

2.2 常見問題

放大器屬于集成傳感器，具有豐富的種類，除了通用型以外，還包括高輸入阻抗型、高精度型、低功耗型等。選擇放大器時(shí)，要考慮到生產(chǎn)用途和性能要求，為了滿足精度要求，一方面要消除自激振蕩，另一方面要調(diào)零處理，以消除零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，引腳中設(shè)置了調(diào)零端子，和調(diào)零電位器連接后即可進(jìn)行調(diào)零操作。但實(shí)踐應(yīng)用表明，該調(diào)零法具有靜態(tài)性，由于現(xiàn)場(chǎng)干擾因素多，一般難以完全消除漂移現(xiàn)象。

3 減小零點(diǎn)漂移的電路設(shè)計(jì)

3.1 直流電平控制電路

以L-17C放大器為例，直流電平控制電路對(duì)于漂移補(bǔ)償?shù)脑砣缦拢簺]有信號(hào)輸入時(shí)，放大器輸出端的直流電壓就是零點(diǎn)漂移電壓，該電壓超過窗口電壓時(shí)，控制電路就會(huì)輸出一個(gè)調(diào)整電壓ΔV并到達(dá)輸入端，這個(gè)調(diào)整電壓就作為輸入電壓，促使漂移電壓移動(dòng)、落入窗口部位。如下圖2，是該控制電路的原理圖，實(shí)際應(yīng)用中，除了2個(gè)比較器、1個(gè)10BitD/A轉(zhuǎn)換器以外，其余電路功能采用可編程邏輯器即可代替完成。比較器1、比較器2構(gòu)成了窗口比較器，Va+是允許的最大正漂移，Va-是允許的最大負(fù)漂移，窗口電壓V=Va+-Va-，這是允許漂移的最大范圍。

圖2 ：直流電平控制電路原理圖

3.2 自動(dòng)調(diào)零電路

所謂自動(dòng)調(diào)零，就是設(shè)計(jì)調(diào)零電路安裝在放大器前端，測(cè)量前會(huì)保存零點(diǎn)漂移信號(hào)，測(cè)量后從輸出信號(hào)中消除漂移信號(hào)，此時(shí)就能得到真實(shí)信號(hào)。該電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只需在原來的電路中增設(shè)幾個(gè)元器件即可。如下圖2，是自動(dòng)調(diào)零電路圖，主要由放大器A1、時(shí)間保持電路S1-A2、運(yùn)算電路A3、其他邏輯電路等組成。

圖3 ：自動(dòng)調(diào)零電路圖

由于零點(diǎn)漂移是一個(gè)緩慢變化的過程，因此利用該電路時(shí)，存在的問題是測(cè)量會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，需要另外獲得零點(diǎn)漂移信號(hào)。為了提高調(diào)零準(zhǔn)確性，測(cè)量期間的漂移信號(hào)應(yīng)盡量減小，這就對(duì)電路保持時(shí)間提出了明確要求，甚至要達(dá)到數(shù)個(gè)小時(shí)，普通保持電路難以滿足這一要求。以RC充電電路為例，假設(shè)C為10μF，R為10MΩ，計(jì)算可得電路時(shí)間常數(shù)t為100s，100s后電容信號(hào)消失。由此可見，線路中的保持時(shí)間過短，受限于工藝技術(shù)和安全性，不能過度加大電容或電阻，因此該電路設(shè)計(jì)存在弊端。

3.3 長(zhǎng)時(shí)間信號(hào)保持電路

在自動(dòng)調(diào)零電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)長(zhǎng)時(shí)間信號(hào)保持電路，主要利用高阻抗的放大器，充電時(shí)間、放電時(shí)間分別為1s、1000s。如下圖3，是該電路原理圖，其中F代表信號(hào)源，A代表放大器。采集零信號(hào)時(shí)，閉合S1和S2，此時(shí)漂移信號(hào)就會(huì)經(jīng)過RC電路，實(shí)現(xiàn)電容充電的效果。假設(shè)C為10μF，R為50kΩ，充電時(shí)間常數(shù)t=R，C=0.5s，高阻抗放大器的泄漏電流為10-10A，電容兩端電壓為10mV，計(jì)算可得電容電荷為10-7庫(kù)侖，放電時(shí)間T為1000s。相比于RC電路，該電路的放電時(shí)間擴(kuò)大10倍。用于自動(dòng)調(diào)零電路中，間隔500s采樣1次，零點(diǎn)漂移信號(hào)引起的誤差就能減小50%。

圖4 ：長(zhǎng)時(shí)間信號(hào)保持電路原理圖

4 結(jié)束語

綜上所述，傳感器放大器的使用，要求高放大倍數(shù)、高阻抗、高共模抑制比。實(shí)際應(yīng)用中，受到外界因素的影響，容易出現(xiàn)零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。對(duì)此，可以設(shè)計(jì)直流電平控制電路、自動(dòng)調(diào)零電路、長(zhǎng)時(shí)間信號(hào)保持電路等，能有效抑制漂移量，提高測(cè)量精度。

[1]周旭華,徐世六,張正元等.單片集成壓力傳感器及弱信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué),2011,41(5):672-675,680.

[2]周靜,田文鶴.壓力傳感器信號(hào)調(diào)理模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2011,(1):11-12,51.

[3]韓智慧,王生生,趙建華等.多壓力傳感器中自調(diào)諧整流和諧振自調(diào)的零點(diǎn)漂移消除[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2015,23(8):2932-2935.