如何使用高精度儀表放大器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)

儀表放大器（IA）是檢測(cè)應(yīng)用的主力。本文將探討一些利用儀表放大器的平衡和出色直流/低頻共模抑制（CMR）特性的方法，使得儀表放大器配合阻性傳感器（例如應(yīng)變計(jì)）使用，傳感器與放大器在物理上分離。本文將提出一些提高此類(lèi)增益級(jí)的抗噪性，同時(shí)降低其對(duì)電源變化和元件漂移的敏感性的方法。文章還會(huì)提供實(shí)測(cè)性能值和結(jié)果以展示精度范圍，方便最終用戶(hù)應(yīng)用進(jìn)行快速評(píng)估。

詳細(xì)說(shuō)明

說(shuō)到傳感器，幾乎沒(méi)有什么能比得過(guò)惠斯登電橋（圖1）。該電橋可產(chǎn)生差分電壓，當(dāng)物理參數(shù)變化時(shí)，差分電壓會(huì)隨之發(fā)生可預(yù)測(cè)的變化。差分電壓還有抑制溫度和時(shí)間漂移的附帶好處。差分電壓位于較大共模（CM）電壓之上。使用儀表放大器來(lái)放大電橋提供的小信號(hào)。儀表放大器的優(yōu)點(diǎn)在于，在電橋元件負(fù)載很少或沒(méi)有負(fù)載的情況下，它可以檢測(cè)差分電壓并將CM抑制到傳統(tǒng)運(yùn)算放大器無(wú)法實(shí)現(xiàn)（因?yàn)橐笸獠?a target="_blank">電阻高度匹配）的程度。

圖1. 惠斯登電橋

物理測(cè)量所用的電子設(shè)備常常遠(yuǎn)離被測(cè)物理參數(shù)。例如，埋在卡車(chē)稱(chēng)重站路面下方或橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)變計(jì)測(cè)量，不太可能位于讀取測(cè)量結(jié)果的電子設(shè)備旁邊。當(dāng)使用雙線四分之一橋接應(yīng)變計(jì)（例如Omega公司的SGT-1/350-TY43）時(shí)，傳感器放在遠(yuǎn)離檢測(cè)放大器的地方，如圖2所示，產(chǎn)生的結(jié)果不令人滿意，即便傳感器引線使用屏蔽雙絞線也無(wú)效。

圖2. 遠(yuǎn)程傳感器設(shè)置受到環(huán)境噪聲拾取的影響

問(wèn)題在于，屏蔽雙絞線不是對(duì)長(zhǎng)電纜線路上的所有干擾都能抑制。在這種情況下，不能依靠?jī)x器的良好平衡輸入來(lái)消除CM影響。長(zhǎng)電纜拾取的干擾對(duì)放大器正負(fù)輸入的影響是不均衡的，而且輸入包含CMR無(wú)法消除的不相關(guān)信號(hào)。因此，如圖3所示，由于對(duì)CM噪聲（看似如此）的響應(yīng)不平衡，在電路輸出端發(fā)現(xiàn)明顯噪聲并不奇怪。

圖3. 麻煩的放大器輸出端120 Hz 噪聲（0.1 V/div ，2 ms/div ）

為了從CM（直流和干擾）中成功提取很小的電橋差分電壓，一種解決方案是使用兩對(duì)屏蔽或非屏蔽雙絞線（UTP）。這樣，儀表放大器的兩個(gè)輸入實(shí)現(xiàn)均衡，受到的CM噪聲影響相同，如圖4所示。諸如LT6370之類(lèi)的器件具有出色的低頻CMR （120 dB），能夠可靠地抑制困擾IA輸入的噪聲。結(jié)果，即使在嘈雜的環(huán)境中，遠(yuǎn)距離輸出波形也很干凈。

圖4. 使用兩根非屏蔽雙絞線進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)

有了LT6370的全部CMR功能，我們可以更進(jìn)一步，通過(guò)減少一對(duì)接線來(lái)簡(jiǎn)化配置，僅留下一根UTP。此概念如圖5所示，其中U2的輸入保持平衡以獲得良好的CMR。注意UTP引線看起來(lái)與U2相同，并有相同的對(duì)地阻抗（R2、R4）。