《 电测与仪表 》 总第 卷 第 期 传 感 器 放 大 电 路 的 设 计 南 昌 华 东交通 大 学 揭景耀 摘要 本 文 通 过设 计 实例 , 详 细 介绍 了传 感 器 用 放 大 器 的设 计 方 法 , 说 明如 何 实现 所 要 求 的 增 益 和 零 点偏 里 以 满足 具 体 应 用 要 求 。 关键词 传 感 器 放 大 器 增 益 零压 力偏 一 、 引 言 大 多数传感 器 只有毫伏级 的电平输 出 , 如 半导体压 力传感器 的差 模输出电压 一 般仅为几 十毫伏左右 。 这样的信号必须经 过信号 处理 电 路进行放 大和 变换才能满足 具体 应 用 的要 求 。 目前 , 微处理 器应 用十分普及 , 传感器 的输出 信号 可 送给微 处理 器 进行计算 、 存贮 和显 示 。 为了实现 与数字 系统接 口 的要 求 , 传感器 的输 出信号就必须经 过放 大器 电路变为 的输 出范围 。 本文通 过设 计实例 , 详细介 绍设 计方法与步骤 。 到 二 、 放 大 器 的设 计要 求 放 大 电路 的设 计 要 求 , 主 要 由传感器 的输 出特性和微处理 器 的 用 转换器 的 到 输 鉴于 传感器 的满量程输出电 入 范围决定 。 压 典型值是数十毫伏级 , 因此 最 明显 的要 求是 为了把传感器 的差模输出电压 变换 增益 成一 个单端输出的模拟信号 , 第二个任务是双 》实现所要 求的零压 端到单端转换的要 求 力偏置 , 典型设计值是 。 上 图为推荐的设 计 电路原 理 图 , 该 电路对 于 大 多数不 同输 出信号 的传感器 呈 现 极好柔性 。 该 电路 电源 电压 选 用 。 电原 理 图 中的凡 电 位器 用于 调节增益 。 其中由 十 ,和 “二组 成 分 压 器 以产生 犷 川二 电压 , 用于 设置零压 力 偏置 电压 处在所要求的电平 。 例如 , 在适合要 求增益后 , 这时零压力偏置 电压 为 , 而 要求 的零 压 力偏置 电压 为 , 那 么 就需 要 ,二提供一个正 的零 一 个 压 力偏置 电压 平移 , 可 调节 十 , , ,二 电位器 以设 置 十 川二 , 以使零 压 力偏置 电压 达到 的 川二 。 。 , 一 一 川二完 全类似 川 , 。 , 了 提供负的 零 压 力偏置 电压 平 移 , 这样就 可 能减少零压 力 偏置 电压 , 以达 到所 要 求值 。 例如在适合要 求 的增益后 , 若此 时零压 力偏置 电压 为 , 而要 求的零压力偏置 电压 仅为 , 那么就需要一 个 一 二提供一个负的零压力 偏置 电压 平移 , 可 调节 一 川 二 , 电位器 以 设 置 或 犷 一 川二 。 在 校 准 期 间 , 尺‘ 和 尺 , , , , 二 是唯一可 调 的电器 元 件 , 用于 校准传感器 的增益 幅度和 零压 力偏置 。 的 一 川二 。 一 三 、 设 计实例 第一 步 求取压 力传感 器 的工 作特 性参数 愉 出 摩托罗拉 根据文献 〔 〕中的表 一 所提供的 压 力传感器工 作特性参 数 , 取得设计任务的传感器数据 。 在动 手设 计 电路前 , 要 取 得该传感器 的最 大 和最 小零压 力偏置 电压 , 要 取得最 大和 最小 的满量 程输 出电压 。 本例用摩托罗 拉 压 力传感器 激励电压 为 传 感 器 用 放 大 器 电路 原 理 图 

最 小满量 程 输 出电压 最 大满量 程输出电压 最 小零 压 力偏置 电压 最 大零压 力偏置 电压 第二 步 考虑比例输 出 , 确定传感器实用 电源 电压 下 的特征参数 。 许 多传感器具有与所 加电源 电压 成比例的 输 出值 。 而 传感器 的数据 资料表给 出的仅是在 某 一 电源 电压 下 的满量程输 出电压 和零压 力偏 置 电压 。 对于 实际采用 的 电源 电压 不 同于数 据 资料 表上 激励 电压 , 就 必须对满量程输 出电 压 和零 压 力偏置 电压 进行换算 , 可 应 用下 面 公 式 , ’ 尸 产 产二 其 中 尸‘ —实用 电源 电压下 的传感器特征 参 数 尸 —数据 资料表上 传感器特征参数 ‘ —实用电源 电压 —数据 资料表上 电源 电压 激励 电 压 摩 托罗 拉 压 力传感 器应 用 电源 电压后换算得 到特征 参数 如下 最 小满量程 输 出电压 最 大满量程输 出电压 最小零压 力偏置 电压 最大零压 力偏置 电压 二 第三 步 确定所要求的增益幅度和零压 力 偏置 。 每 一 个应 用都有它 自己要 求 的增益 幅度和 零 压力偏置 。 例如 , 如果将该传感器 的输 出送 到 一 个 具 有 和 参 考 电 压 的 模 数 转 换 器 , 零压 力偏 。 就是说 , 该传感 器 的增益 幅 到满 , 那 么传感器增益 幅度是 , 其范围是 从零 压力时的 置 电压 是 度是 刻度压 力时的 的输 出送给 压 力偏置 电压 是 。 在本实例中 , 是将 , 要求增益幅度是 , 零 。 第 四 步 计算增益范围 当考虑 到传感器增益幅度变化时 以达到 车 增益 幅度 , 应 计算 出最 大增益 和最 小增益 。 肘 材 一二丁一 , 材 生竺二 二 其 中 一要 求 增益 幅度 —传感器 的最 小满量程输 出电压 。 认 , 为几, 。 其 中 —传感 器 的最 大满量程输出电压 第五 步 实现 电平 平 移 根据被放 大零压 力偏置 的 范围 , 可 能需 要 一 个正 的或一 个负 的 电平 平移 , 以设置零 压 力 偏置电压 为所 要 求值 。 所 以首先必 须计 算 出 已 放 大零压 力偏置 电压 的最 大可 能 的范围 。 压 力传感器计算如下 对于摩托罗拉 零 压 力偏置 电压 ,为 材 石认、了 零压 力偏置 电压 为 肠 二 。 及 , 二 其中 —传感 器 的最大零压 力偏置 电压 —传感 器 的最 小零 压 力偏置 电压 这样 , 在实例 中被放 大 的零压 力偏置 电压 之 间最 大 可 能 范 围 是 。一 。 可 以 根 据具 体 的 压 力传感器 , 决定需 要 正 的或 者负 的 电平平 移 。 对 于 任 何零 压 力偏置 电 压 大 于 , 则需 要 一 个负的 电平 平 移 , 以降低零压 。 同样 , 对 于任何零压 力偏 , 就需要一 个正 的电平平移 , 力偏置 电压 达 置电压 小于 以增加零压 力偏置 电压 达 。 第六步 确定 电平 平移量 利用零压 力偏置 电压 和零 压 力偏置 电压 肠 的计算值 , 根据所 要 求 的零压 力 偏 置 电 压 , 能够计算 出所 要 求的 电平 平移范围 。 士 , 石 一 一 一 士 , 朴 一 及 一 如果 土 、川 或 者 土 二是 正 的 , 那 么 就 需 要 正 的 电平 平 移 如果 土 二 或者 土 ,二 是 负的 , 那 么 就需要 负的 电平 平 移 。 所 以 , 为 了校准 任意随机 选定 的具 有 零压 力偏置 电压 的 负电平 平移 最 大 一 、, , 平 平移 最 大 、 压 力传感 器 , 应需 要 高达 和 高达 正 电 , , , 。 

第七步 计算增益设置 电阻值 迭 电阻 和 电位器 时 , 推荐 公差 的金 属 膜电阻 低温度 系数 》。 除非另有说明 , 均 采用 与计算值最接近 的 电阻值 , 选用 多圈电位器精 调增益和零压 力偏置 电压 。 在计算几之前 , 首先设 二 , 计算下 列比值 。 , 二 一 飞 厂 一 。 二 厂 。, 二 一 。和假如 一 川 , 那 么 川二 , 假如 。 , 否 则叭二 犷 一 川二 、, 片 一 , 假如 , 川二 一 川二和假 如 十 、川二 , 那 么 否 则 就本实例 , 故尺 嘴 乃 犷 十 刀子 讯 因为 朴 川 。 一 川二和 丫 、川二 。 。 假如几 与 的 比值是一 个整数和 假如该 比 值同时满足上 面 方程 , 后一 个方程更便于 计算 。 所 以 , 本实例设 比 值 为 , 几 。 至 少应该是 几 和 , 取 决 于 增 益 要 求 》典 型 值 是 在 之 间 , 然而 其值愈低愈好 。 和 和 。 所 以对 于 和 选相 等值以满 足这种 约束 。 假如需 要 人 们能够增加 以满足这种约束 。 就本实 凡 二 · 和几值于 高于 设 并计算 例 , 及 〔 , 一 〕 凡 十 —怂 〕 选 电阻时 , 使其值等于 或者小于下 列计算值 凡 一乙凡一凡一口一卜 一角一凡 卫里些 , 只 一 一 , , 甲于 二丈产 。 枯 电位器要 求最 大 值是 垃矛 一代二一一一一 一二一一一一 一 一 玲 一‘些丝 一 一 鱼 一 十鱼 凡 凡 一 一华早孕 一 。 尸 。 于尸一气二丁 二 假如要 求较大或较小的凡和 值 , 可 以改变在 系数 。 一 个较大 的系数 产生 较大几和 的 计 算值 。 产生 较 小的几和 和 方 程 中的 但总是 小于 一 个较小 的 系数 但 不 为 。计算值 。 第八步 计算零压 力偏置 调 整 电阻值 最后一 步是 计算用于 正 或负电平移动的电 阻值和 电位器阻值范围 。 尽可 能降低通 过 电阻 分 压 器的功率消耗 , 产生 正 如负电平适度平移 电源 电压 为 。 对正 电平 平 移 , 设 ,, 补 , 嵘 嵘 不日 补 犷 , 升 , 夕 、 、 , , , 十 一二一 入 厂 〔 · 找乃 ‘ “ · ”“ 了‘ , 一止匕塑望丛一 , , 、 尺 、 、 , , , 一 二厂 一 入 厂 ‘ , 式乃 不其莺于不丽 。 。 〔 〕 二 出于 多种理 由 , 除将电位器 用于 、川二 外 , 有 时也 用电位器代替 川二 , 。 在这种情况 一下 , 选 用其最大值至 少为 , 、川二 。 二 的电位器 。 利用选定电位 器 最 大值 计算 十 ’ , 朴 二 夕 , 片 一 十 , 对 负电平 平 移 , 设 

一 , , , 二 , 一竺二卫坐卫竺一 、 粤 价 入巧 一 ’ 夕刀矛了 。 甜 片 一 。 。 凡 、 。 同样 , 除将电位器用于 一 川 , 外 , 有时也用电 位器代替 一 川二 , 。 在这种情况下 , 选用其最大 值至 少 为 一 川 。 的 电位器 。 利用选用电位器最大值 不是计算值 去计算 · 一 一 了打 , , , 小结 一 ‘刀了户朴 犷 一 户, 材 凡 尺 , 尺 一 护关 观 尺 , 吸 ‘ 贝 , , 夕 , 。了 只 一 , , , 选用 电阻 精度 为 和 , , 几 运放 。 上接 页 动的 。 由于 只有经 过 触发器对信号进行处理 , 的事件 才是真实 的 。 在 方法测频率 , 理 论上 可精确到 触发器是 用来消除方 波抖 对信号 变化 的 反 应 特别 灵敏 , 感受 晶振 下 , 用此 种 。 四 、 结束语 随着对集成 电路 认识 范围的逐步扩 大和新 的集成 电路 的 出现 , 电参数 测 试仪 的结构变得 越来越简炼 , 使 用寿命越来越 长 , 功能也 变得 越来越 齐全 , 它将随着中国家 电行业 的发展 而 发展 。 第九步 根据设 计 的 电原 理 图 图 》组 装 电路 第十步 调 试校 准 首先 , 将已组 装电路 , 加电片 。。 然后 , 用 监 测 电路输出电压 , 旋转所有电位器到 零 , 加 电后完成下 列步骤 加零压 力到该传感器 或用被测的最低 压 力 调 节 , , 或 一 , , , 以设 定零压 力 偏置 电压在所 要 求 电平 。 在本实例 中 零 压 力偏置 电压 为 。 , 加入所 用满量 程压 力到该传感 器 。 调节 。电位器直到取得满量程输 出 在 实例 中 , 要 求 的满量程 输 出为 , 即一 个 增益幅度加上 一个 置 电压 。 的零压 力偏 由于增益 调节稍微影 响该传感器 固有的 零压力偏置 电压 , 所 以 , 需要重复 一 步校准 , 直到取得所要 求的零压 力偏置 和增益 幅度 。 至 此 , 人 们能把传感 器 , 设 计的放 大器 十 二 集中到一 个印制电路板上 。 可先测出凡 、 , 和 一 , 二 的 电阻值 。 然后 用最接近 的固定 电阻 精 度 替代 相应 的 电位器 。 参 考 文 献 孙肖子 传感器 及其应 用 电子工 业 出版社 · 胶 、, , 以 〕 “ · 交 以 , ‘ 一 收稿 日期 一 一 韩 松 林 编 发 利用 系列微控制器众 多软硬件资源设 计的 系列 电参数 测量仪 , 具有韧度好 , 功能多 , 智能化程度高 , 在众行业 获得 广 泛应 用 。 随着 微控制器技术 、 显 示 技术 、 传感 器技术及 计算 机 技术 的发展 , 电参数测 量仪技术将会进一 步 提高 , 并会有更 为广 阔的应 用前景 。 参 考 文 献 孙涵芳 位单 片机 · 北 京航空 航 天 大学 出 版 社 陈隆道 工 频信号 取样方法分析 · 电测与仪表 , 马 甲 军 编 发