浙江省杭州市质量计量监测中心 厉志飞

在对传感器输出信号进行预处理的过程中，往往要把微弱的信号进行放大，要求放大器有足够大的共模抑制能力、很强的差模电压放大能力、很高的输入阻抗和稳定的工作性能。但当传感器的输出电阻不为零时，运放的等效输入阻抗将不对称，从而使单运放的失调增加，尤其是在运放输入阻抗较低时更为严重。如果放大电路的共模抑制能力不足、外接电阻匹配不准确，则传感器的输出引线电阻、噪声等将在放大电路的输出端引起更大的共模干扰。而运放输出端较大的共模输出信号，将使运放的线性度下降而难以有效地放大有用的差模信号。如果共模信号幅值超过电路的电源电压，则运放还将被损坏。

　　一、信号预处理电路

　　1.放大器的选用
　　从传感器的输出到放大器的输入端之间，有可能引入的干扰主要有:工频干扰、静电干扰、电磁耦合干扰和共模干扰(即两条或两条以上信号线的电压耦合)。选用仪用放大器一般可以满足传感器对放大器的抗干扰要求。如采用AD521型集成精密仪用放大器，只需外接两只电阻，就可以获得0.1～1000的可调增益，且外接电阻的变化不影响整个电路的共模抑制能力和电路的输入阻抗，即对外接电阻的要求不高，易于实现；另外AD521还具有30V的差模输入范围和较强的过载能力、40MHz的带宽和良好的动态特性。

　　当传感器输出信号的范围较大时，如(0.035～5)V，很明显不能用同一增益的放大电路进行放大，否则在输入信号较小时，输出信号将小于一半量程，而输入信号较大时却使放大电路处于饱和状态，在这种场合宜采用可编程放大器。可编程放大器与采样保持放大器及A/D转换器组合在一起，配置适当的软件，很容易实现传感器输出信号的自动增益控制或量程的自动转换。

　　2.放大器内部干扰的抑制
　　在调理电路中，放大器的主要干扰源有3种:①本机内部形成的有害的热电偶等所产生的热电势干扰；②接口电路内子系统间的耦合，如子系统接地点不在同一点而产生的共模干扰；③外部产生的如电源频率等电磁感应耦合和电容耦合产生的干扰。热电势干扰的产生主要在传感器信号输出端相邻的任何通道中，如焊锡与导线、导线与导线及接插件之间的接点可能形成的热电偶。这些干扰可采用特殊的低热焊锡，或使这些热电偶保持在相同的温度之下，可利用热屏蔽、散热器等；同时应将大功率电路与小功率电路彼此分开，使电路各部分之间的热梯度减至最小；在检测弱电流时，和它有关的元器件和印刷电路板的表面漏电流也必须尽量减小，故表面须进行绝缘处理，并将印刷电路板上的输入端用接地的环状线包围起来。共模干扰可通过接地与去耦的方式消除。外部产生的干扰一般可应用屏蔽与防护技术来降低甚至消除其影响。另外，当运放的反馈电阻阻值很大时，运放几乎处在开环状态，会产生较大的输出电压漂移，此时应选用漂移量非常小而且输入电流也非常小的运放，如7650，其失调电压的温漂为0.05μV/℃，输入电流为0.01nA，并具有自动校零功能；也可采用AD515，AD515的输入电流小于0.075pA，失调电压小于1mV，失调电压的温漂为15μV/℃。

　　3.滤波器的选择
　　传感器的输出信号一般是缓慢变化的，故对各种外界干扰所引起的噪声及其它信号的滤除比较容易。而对低频和超低频信号的滤除，集成有源滤波器最合适。如压电式传感器，通常产生相当于高频的信息，对采用的滤波器要求具有较高的噪声截止频率。另外，传感器信号的滤波电路一般应加在信号放大器后。

　　二、非线性补偿

　　1.利用拟合函数实现非线性补偿
　　传感器的输出信号常有一定的非线性，应进行非线性补偿。选择适当的拟合函数，改变预处理电路的构成，利用能实现拟合函数的电路作为传感器预处理电路的一部分，则在补偿范围内，传感器的非线性可基本线性化，误差可减小到要求的范围以内。拟合函数的选择要求能将剩余的误差限制在有限范围内，且对输入信号是单值性的。采用连续函数作为拟合函数虽然要进行较多的数学运算，但误差函数是平滑、连续的，故结果易于观测分析。常用的拟合函数有:1/x，x^m，lgx，Ax+Bx³等。另外，利用与传感器已知传输函数相互补的电路，可实现某些传感器的非线性补偿，如用对数器件补偿所测得的指数函数等。
　　在小信号输出时具有良好的线性，而在大信号阶段出现的如图1所示非线性的某热电偶响应特性曲线(补偿前线性范围在400℃以内)。

图1

　　可以采用连续函数的拟合将线性范围扩大到y_h=800℃(y_h>y_l=400℃)，目的就是把传感器的传输特性在y_h内由曲线转换成直线:设y=ax+bx²，在线性范围内找一点y_l<y_L(如y_l=250℃)，在实际传输特性曲线上可对应得到X₁=13.5mV；再在非线性范围内找一点y_L<y₂<y_h，如y₂=750℃，在实际传输特性曲线上可对应得到X₂=42.3mV。分别把以上两对数据代入，得y=18.85X+0.026X²。经此拟合，在y≤y₂的范围内误差几乎为零。

　　2.利用模拟乘法器进行非线性补偿
　　整数幂多项式的建立可通过模拟乘法器和运放实现，非整数幂多项式则可利用对数多功能组件来建立。利用模拟乘法器AD534对不平衡电桥进行非线性补偿为例，原理电路如图2所示。

图2 模拟乘法器的非线性补偿作用

由图可知仪用放大器的输出电压:V₁=KV_i[δ/(1+δ/2)]
K——桥路输出系数和仪用放大器增益之积。将AD534的刻度系数取为10，则:
(X₁-X₂)(Y₁-Y₂)=10(Z₁-Z₂)
根据电路可得:
V₀[KβV_iδ/(1+δ/2)]=10[V₀-KV_iδ/(1+δ/2)]
其中β为Y₁、Y₂的分压比。适当选择参数使KβV_i=5V，代入可得

从上式可见，(1+δ)R电阻的变化在V₀处被线性地反映了出来。这种线性化方法，能成功地对应变片、热敏电阻、压力传感器等桥路的非线性进行补偿。

　　 合理构成传感器的信号调理电路，科学处理印刷电路板及元器件的分布，能有效地减小误差、提高系统的抗干扰能力；而利用连续函数的拟合、具有互补性能的非线性器件则能成功地对传感器不可避免的非线性进行线性化补偿，从而提高整个系统的检测准确度。