小信号放大电路设计

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1、浙江理工大学学报,第24卷,第6期,2007年11月JournalofZhejiangSci2TechUniversityVol.24,No.6,Nov.2007文章编号:167323851(2007)0620661204小信号放大电路设计楼钢,李伟,邓学博(浙江理工大学信息电子学院,杭州310018)摘要:在纺织纱线的张力测试中,为了对小张力进行有效的测试,利用电阻应变传感器作为信号转换器件,通过对其输出信号进行分析,设计出相应的小信号放大滤波电路。设计应用了高精度斩波稳零运算放大器芯片TLC2652作为

2、小信号放大电路的核心器件,实验证明其放大效果理想,并给出了相应的实验数据。关键词:电阻应变传感器;小信号;TLC2652;放大滤波中图分类号:TN721.3文献标识码:A0引言在测量纱线张力的时候,较大的张力容易被检测和测量,而较小的张力的测量则要复杂困难的多。电阻应变传感器具有高灵敏度、高精度的特点,从理论上来说适合作为小张力的信号转换器件。但是要设计好相应的小信号放大电路却有相当的难度,因为小信号极易受外界干扰。而一般集成运算放大器都是利用参数补偿原理的直接耦合或者阻容耦合放大器,它们的初始失调参数并不

3、等于零,而是用调零电位器或精密修正技术的调节来进行失调参数的补偿。这使得直接耦合放大器在放大信号的同时也放大了温漂,而阻容耦合放大器虽然能够抑制温漂,但不能用来放大微弱的直流信号或缓慢变化的信号。本文应用高精度斩波稳零运算放大器芯片TLC2652设计小信号前置放大电路,用芯片OP07设计后级放大滤波电路,通过级联方式对小信号进行放大滤波。1系统框架及电阻应变传感器输出信号特点1.1电路系统框图本系统主要由电源模块、电阻应变传感器、小信号放大电路、放大滤波电路等4部分组成,电路总体框图如图1所示。电源模块主要

4、为其他三模块提供稳定可靠的电压,本文不做详细介绍;传感器电路作为信号转换电路,把非电量图1电路总体框图(小张力)转换成电压信号;小信号放大电路主要由高精度斩波稳零运算放大器TLC2652组成,对输入信号进行前置放大并对噪声进行有效抑制,对干扰信号的抑制主要集中在这级;放大滤波电路作为后级放大器,同时也起到了低通滤波的作用。1.2电阻应变传感器电路结构及其输出信号特点电阻应变传感器内部是由4个应变片构成的桥式电路,构成等臂电桥电路。当受力时应变片产生形变,相应的电阻值发生变化,从而使桥路失去平衡。在电桥有外电

5、源供电的情况下,利用桥差来检测被测信号。电收稿日期:2007-06-13基金项目:国家自然基金(50675207),浙江省自然科学基金(Y104615)作者简介:楼钢(1984-),男,浙江浦江人,硕士研究生,主要从事微机检测和控制技术方面的研究。662浙江理工大学学报2007年第24卷桥按激励源不同可分为恒压源供电电桥和恒流源供电电桥。由于采用恒流源[1]供电比采用恒压源供电可以减少非线性误差,因此本设计采用恒流源供电模式,如图2所示。其中理论上未受任何力时应有R1=R2=R3=R4,当受到压力和拉力(分

6、别变化ΔR1,ΔR2,ΔR3,ΔR4)作用的时候,其桥臂电阻值分别变为R1-ΔR1,R2+ΔR2,R3+ΔR3,R4-ΔR4;设流过R1和R2的电流分别为I1和I2,可得到:U0=I1(R3+ΔR3)-I2(R4-ΔR4)(1)又U0=I2(R2+ΔR2)-I1(R1-ΔR1)(2)而I=I1+I2(3)图2电阻应变传感器电路根据式(1)、式(2)、式(3)可推出:U0=I[(R2+ΔR2)(R3+ΔR3)-(R1-ΔR1)(R4-ΔR4)]/(R1+R2+R3+R4+ΔR2+ΔR3-ΔR4-ΔR1)(4)

7、由于分母中(ΔR2+ΔR3-ΔR4-ΔR1)很小,其值可以忽略。其中初始条件:R1=R2=R3=R4=R;当各桥臂阻值变化ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR时,代入上式并整理得输出电压:U0=ΔR×I(5)式(5)表明:当恒流源供电时,其输出信号U0与电阻应变量以及恒流电流成正比,传感器的输出与供电电流大小和精度有关(假设忽略温度的影响)。表1给出了传感器的部分实验数据(实验条件:室温;恒流源5mA;安捷伦六位半数字万用表;定量砝码)。表1传感器部分实验数据测试项目测试结果质量/g00.10.20.30.

8、40.50.712510203040输出电压/μV799796793790787783777769740650504201-105-406从表1中可以看出,传感器输出信号是十分微弱的微伏级电压,设计要求量程为40g,最小分辨张力为0.1cN,转化成电压信号后要求最小能分辨3μV的幅度变化。表中数据经电平位移可得输出电压范围约为0～1.2mV。如此微小的信号容易受噪声的干扰,因此要有效提取该信号,关键的是在放大有用