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0 引言

經(jīng)過多年的發(fā)展，壓力傳感器已成為一種工業(yè)和醫(yī)療檢測(cè)的重要器件。壓力傳感器應(yīng)用廣泛：用在井下壓力信息采集、醫(yī)療檢測(cè)、直射武器立靶密集度測(cè)量、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)稱重和兩足外骨骼機(jī)器人足底壓力測(cè)量 [1～3] 等方面。壓力傳感器采用電橋式電路結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的線性度和靈敏度，及很好的溫度補(bǔ)償性能。但一個(gè)微應(yīng)變電橋輸出只有2mV左右，即使在滿載情況下，應(yīng)變片的最大輸出也只有數(shù)10mV [4] ，使信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換受限，不能良好的完成信號(hào)采集工作。因此，需要對(duì)壓力傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行有效放大和調(diào)理。

本文使用增益可編程，單電源供電，雙端輸入單端輸出及高共模抑制比的儀表放大器AD623，設(shè)計(jì)完成信號(hào)調(diào)理電路，把微弱直流電壓信號(hào)放大到數(shù)百毫伏甚至更高，以滿足A/D采集要求。

1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

實(shí)際應(yīng)用中，傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)必須考慮三項(xiàng)主要內(nèi)容：1）針對(duì)傳感器本身的特性設(shè)計(jì)恒流源或恒壓源, 即電流（或電壓）不受傳感器輸入負(fù)載變化的影響, 使傳感器輸出特性只與被測(cè)量有關(guān)；2）根據(jù)傳感器的輸出特性, 設(shè)計(jì)信號(hào)放大與增益可控電路, 以滿足信號(hào)采集與處理的要求, 即信號(hào)便于與A/D轉(zhuǎn)換器接口；3）設(shè)計(jì)濾波電路 [5] 。

本文所設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路主要由壓力傳感器和信號(hào)調(diào)理模塊組成，其中信號(hào)調(diào)理模塊由+5V電源模塊、濾波電路及AD623等器件組成。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

本研究中所采用的壓力傳感器是不銹鋼材質(zhì)，外形尺寸結(jié)構(gòu)微小，適用于各種微小空間檢測(cè)。其直流供電電壓范圍是+5V~+10V。儀表放大器AD623單電源供電電壓范圍是+3V~+12V。本設(shè)計(jì)采用LM2931電壓校準(zhǔn)模塊為壓力傳感器和AD623提供+5V精準(zhǔn)供電電壓。LM2931有不同型號(hào)，分為固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出，有非常低的靜態(tài)電流，輸出電流超過100mA，有短路保護(hù)。本設(shè)計(jì)采用輸出固定電壓為+5V的LM2931AM-5設(shè)計(jì)完成+5V電源模塊。為了保持電壓穩(wěn)定性，針對(duì)電源模塊的輸入和輸出都加了去耦電容，其中電源輸出端電容值至少為100μF。

2.2 放大電路模塊

壓力傳感器有其特定的參數(shù)。若要壓力傳感器輸出信號(hào)與A/D轉(zhuǎn)換器接口相匹配，首先要根據(jù)壓力傳感器的分度值確定A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。壓力傳感器參數(shù)如表1所示。

注：s i 為壓力傳感器i的載荷靈敏度，f imax 為壓力傳感器i的額定量程，u s 為壓力傳感器i的電源電壓，m imin 為壓力傳感器i能夠分辨的最小載荷量，v ic 為壓力傳感器i的共模電壓， v id 為壓力傳感器i的差模電壓。

壓力傳感器額定量程為75Kg，最小稱量200g，那么其分度值A(chǔ)=75Kg/200g=375，因此A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少需要9位。本研究所用A/D轉(zhuǎn)換器是S12系列單片機(jī)型號(hào)MC9S12XDP512（以下簡(jiǎn)稱XDP512）的ATD模塊，其轉(zhuǎn)換位數(shù)有8位和10位可選，這里選擇10位轉(zhuǎn)換。

確定轉(zhuǎn)換位數(shù)后，要根據(jù)壓力傳感器的參數(shù)和XDP512單片機(jī)ATD的輸入性能確定電路的增益值。這要求正確分析儀表放大器AD623的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。AD623是兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)，第一級(jí)為兩個(gè)輸入運(yùn)放U1和U2按同相輸入接法組成，第二級(jí)為一個(gè)輸出運(yùn)放U3組成差分放大電路。在第一級(jí)電路中，壓力傳感器輸出的正信號(hào)和負(fù)信號(hào)分別加在AD623的同相端和反相端。AD623與傳統(tǒng)三運(yùn)放結(jié)構(gòu)儀表放大器的不同之處是在兩個(gè)輸入運(yùn)放之前分別加兩個(gè)PNP晶體管作為電壓緩沖器，以便向兩個(gè)輸入運(yùn)放提供共模信號(hào)，并且符合電源限輸入運(yùn)放電路結(jié)構(gòu)的要求。輸出運(yùn)放用來將差動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換成單端電壓，它還對(duì)前面兩個(gè)輸入運(yùn)放輸出的共模信號(hào)起到抑制作用，有益于改善整個(gè)電路的性能。兩級(jí)放大最終的增益值可由公式：G=1 +100 K ?/ RG  計(jì)算出。其中，G為增益值，RG為跨接在第1引腳和第8引腳之間的電阻。當(dāng)1腳和8腳之間不接電阻時(shí)，AD623實(shí)現(xiàn)單位增益。AD623可實(shí)現(xiàn)的增益范圍是[1,1000]。

定義U imin 為壓力傳感器在最小載荷量作用下的輸出，U imin 由式（1）：

計(jì)算出，為26.67μV。XDP512的ATD模塊，采用10位轉(zhuǎn)換，其能夠分辨的最小電壓u inmin 由式（2）：

計(jì)算出。式中V REF 為ATD的參考電壓，其范圍是0~+5V，這里選擇V REF 為+5V，則u inmin 為4.89mV。由以上分析可看出，如果信號(hào)不放大，A/D轉(zhuǎn)換器將不能識(shí)別U imin 。因此必須對(duì)壓力傳感器的輸出電壓放大。其最小放大倍數(shù)A umin 由式（3）：

計(jì)算出，為183.40。當(dāng)壓力傳感器i承載滿負(fù)荷 時(shí) （ 即M i = Fi max ， 此 時(shí) A T D 滿 幅 值 輸 出FFFFH），傳感器輸出電壓為U i max= Si U s,為10mV，由于ATD轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓可達(dá)5V，最大放大倍數(shù)由式（4）:

計(jì)算出，為500。因此，壓力傳感器輸出信號(hào)增益范圍是[183.40,500]。綜合考慮AD623的性能及放大電路的穩(wěn)定性,設(shè)置放大電路增益值為238，則根據(jù)公式G=1 +  100  K ?/ R G，反求出電阻R G 的大小為421.9Ω，取標(biāo)稱阻值422Ω，這確定了放大電路模塊的增益電阻值參數(shù)。

2.3 濾波電路

為了抑制RF干擾信號(hào)，在壓力傳感器的信號(hào)輸出端，即儀表放大器AD623的信號(hào)輸入端設(shè)計(jì)了RC低通濾波器，如圖4所示。為了使AD623獲得穩(wěn)定電壓，在AD623的正電源端加了去耦電容，0.1μF的陶瓷電容和10μF的鉭電解電容并聯(lián)。

XDP512單片機(jī)ATD的采樣頻率可以在28KHz~500KHz范圍內(nèi)選擇，單片機(jī)總線時(shí)鐘頻率設(shè)置為8MHz，對(duì)其12分頻，得到ATD時(shí)鐘頻率667K，ATD采樣頻率設(shè)置為67K。為了在獲得良好濾波效果的同時(shí)能夠滿足采樣定理，設(shè)計(jì)低通濾波器的截止頻率為f c =9.7K。圖4中，R1與C3（同樣，R2與C4）組成低通濾波器。因?yàn)閒 c =1/2 πR1C3，選電阻R1為91K，則計(jì)算出C3容值為180pF。91K電阻足夠大，能夠有效隔離來自電容電路的輸入，同時(shí)帶來的電路噪聲影響也很微小。為了保持放大器的共模抑制能力，電容C3與C4的容許誤差需要達(dá)到5%或更好。R1/R2與C3/C4組成了橋式電路，它們的輸出穿過放大器的輸入，C3和C4有任何不匹配，都將使橋路不平衡，并降低共模抑制能力。所以R1與R2相等，C3與C4相等，使橋式電路對(duì)稱，獲得良好濾波效果的同時(shí)，又不降低電路的共模抑制能力。

電容C5用來保持低頻段共模抑制能力，保證所有的RF信號(hào)都是共模的，同時(shí)又不差分放大這些信號(hào)。R1+R2和C5組成了第二個(gè)低通濾波網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)低通濾波電路的截止頻率約為10.66K。

3 仿真分析

Multisim是美國國家儀器公司（NI）推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。電路仿真軟件Multisim擁有龐大的元器件庫，具有強(qiáng)大的虛擬儀器功能。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。本設(shè)計(jì)采用Multism13仿真軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)的放大電路進(jìn)行仿真，仿真電路如圖5所示。V2和V3模擬壓力傳感器輸出的直流差分電壓信號(hào)，萬用表XMM1用來顯示放大電路的輸出電壓，所選電容容許誤差為5%，所選增益電阻為1%精度的金屬膜電阻。因?yàn)锳D623的第5引腳參考端接地，放大電路的輸出電壓就等于壓力傳感器輸出的差分信號(hào)實(shí)際被放大的電壓。手動(dòng)更改V2和V3的差分電壓值，從1mV～10mV共10組值，觀察萬用表的數(shù)字值，并記錄，制成增益表。

由表2知，增益與所設(shè)計(jì)的增益238最大相差0.993%，最小相差0.042%。由AD623的特性可知，增益增大，其增益誤差也增大，G>1時(shí)，增益誤差推薦為0.35%。考慮到本設(shè)計(jì)增益為238，遠(yuǎn)大于1倍增益，增益誤差在0.042%~0.993%范圍內(nèi)是可接受的。

4 結(jié)束語

針對(duì)雙足步行機(jī)器人用某微型稱重測(cè)力傳感器設(shè)計(jì)了以AD623為核心的信號(hào)調(diào)理電路，單電源供電，一個(gè)增益電阻完成放大，減少了元器件的使用數(shù)量，減小了電路板的設(shè)計(jì)尺寸，便于足底安裝。對(duì)主要電路放大電路進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)電路增益誤差為0.042%~0.993%，能夠?qū)ξ⑷踔绷麟妷盒盘?hào)進(jìn)行有效放大，滿足微控制器XDP512單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器信號(hào)采集要求。

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