傳感器放大器零點漂移的分析及電路設(shè)計

張婷 中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院

傳感器是機械設(shè)備實現(xiàn)自動檢測與控制的重要環(huán)節(jié)，其中微弱信號由傳感器采集，然后經(jīng)過放大器放大才能進行測量。然而，受到溫度變化、電壓不穩(wěn)的影響，電路輸出端的電壓偏離固定值，就會出現(xiàn)零點漂移現(xiàn)象，通過電路設(shè)計對零點漂移進行抑制，成為工作人員的研究重點。以下對此進行探討。

1 零點漂移的發(fā)生原因和抑制措施

1.1 發(fā)生原因

放大器的工作采用直接耦合方式，各級均產(chǎn)生放大效果，如果第一級發(fā)生微弱變化，輸出級就會出現(xiàn)明顯變化。一旦輸入短路，此時輸出就會變化，繼而形成零點漂移，嚴(yán)重情況下會使信號淹沒，此時放大電路無法正常工作。分析該現(xiàn)象的發(fā)生原因如下：①電源電壓不穩(wěn)；②元器件參數(shù)變化；③外界環(huán)境溫度變化。其中，溫度變化是主因，晶體管對溫度比較敏感，隨著溫度的變化，晶體管的工作參數(shù)也會變化，放大電路就會出現(xiàn)零點漂移。

1.2 抑制措施

結(jié)合工作實踐，抑制零點漂移的措施主要如下：①選用高質(zhì)量硅管，嚴(yán)格控制晶體管的制作工藝，尤其保證半導(dǎo)體表面清潔，能減小漂移程度。②將直流負反饋引入電路，能穩(wěn)定靜態(tài)工作點。③溫度補償，增設(shè)熱敏元件，抵消放大器產(chǎn)生的漂移現(xiàn)象，將漂移量控制在較低限度。④通過調(diào)制，首先將直流變化量轉(zhuǎn)化為其他變化量，然后利用較小漂移的阻容耦合電路進行放大，最后還原放大信號。⑤基于溫度補償原理下，可以利用型號和特性相同的2只晶體管進行補償，設(shè)計出差動放大電路。

2 傳感器放大器的使用要求和常見問題

2.1 使用要求

如下圖1，傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、變換電路、輔助電源四個部分組成。其中，放大器的主要功能是采集并放大傳感器的輸出信號，對于放大器的要求如下：①高放大倍數(shù)，能放大微弱信號，滿足測量和利用需求；②高阻抗，減少對信號造成的影響；③高共模抑制比，避免線路串入產(chǎn)生共模干擾。

圖1 ：傳感器的基本組成結(jié)構(gòu)

2.2 常見問題

放大器屬于集成傳感器，具有豐富的種類，除了通用型以外，還包括高輸入阻抗型、高精度型、低功耗型等。選擇放大器時，要考慮到生產(chǎn)用途和性能要求，為了滿足精度要求，一方面要消除自激振蕩，另一方面要調(diào)零處理，以消除零點漂移現(xiàn)象。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，引腳中設(shè)置了調(diào)零端子，和調(diào)零電位器連接后即可進行調(diào)零操作。但實踐應(yīng)用表明，該調(diào)零法具有靜態(tài)性，由于現(xiàn)場干擾因素多，一般難以完全消除漂移現(xiàn)象。

3 減小零點漂移的電路設(shè)計

3.1 直流電平控制電路

以L-17C放大器為例，直流電平控制電路對于漂移補償?shù)脑砣缦拢簺]有信號輸入時，放大器輸出端的直流電壓就是零點漂移電壓，該電壓超過窗口電壓時，控制電路就會輸出一個調(diào)整電壓ΔV并到達輸入端，這個調(diào)整電壓就作為輸入電壓，促使漂移電壓移動、落入窗口部位。如下圖2，是該控制電路的原理圖，實際應(yīng)用中，除了2個比較器、1個10BitD/A轉(zhuǎn)換器以外，其余電路功能采用可編程邏輯器即可代替完成。比較器1、比較器2構(gòu)成了窗口比較器，Va+是允許的最大正漂移，Va-是允許的最大負漂移，窗口電壓V=Va+-Va-，這是允許漂移的最大范圍。

圖2 ：直流電平控制電路原理圖

3.2 自動調(diào)零電路

所謂自動調(diào)零，就是設(shè)計調(diào)零電路安裝在放大器前端，測量前會保存零點漂移信號，測量后從輸出信號中消除漂移信號，此時就能得到真實信號。該電路結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，只需在原來的電路中增設(shè)幾個元器件即可。如下圖2，是自動調(diào)零電路圖，主要由放大器A1、時間保持電路S1-A2、運算電路A3、其他邏輯電路等組成。

圖3 ：自動調(diào)零電路圖

由于零點漂移是一個緩慢變化的過程，因此利用該電路時，存在的問題是測量會持續(xù)一段時間，需要另外獲得零點漂移信號。為了提高調(diào)零準(zhǔn)確性，測量期間的漂移信號應(yīng)盡量減小，這就對電路保持時間提出了明確要求，甚至要達到數(shù)個小時，普通保持電路難以滿足這一要求。以RC充電電路為例，假設(shè)C為10μF，R為10MΩ，計算可得電路時間常數(shù)t為100s，100s后電容信號消失。由此可見，線路中的保持時間過短，受限于工藝技術(shù)和安全性，不能過度加大電容或電阻，因此該電路設(shè)計存在弊端。

3.3 長時間信號保持電路

在自動調(diào)零電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計長時間信號保持電路，主要利用高阻抗的放大器，充電時間、放電時間分別為1s、1000s。如下圖3，是該電路原理圖，其中F代表信號源，A代表放大器。采集零信號時，閉合S1和S2，此時漂移信號就會經(jīng)過RC電路，實現(xiàn)電容充電的效果。假設(shè)C為10μF，R為50kΩ，充電時間常數(shù)t=R，C=0.5s，高阻抗放大器的泄漏電流為10-10A，電容兩端電壓為10mV，計算可得電容電荷為10-7庫侖，放電時間T為1000s。相比于RC電路，該電路的放電時間擴大10倍。用于自動調(diào)零電路中，間隔500s采樣1次，零點漂移信號引起的誤差就能減小50%。

圖4 ：長時間信號保持電路原理圖

4 結(jié)束語

綜上所述，傳感器放大器的使用，要求高放大倍數(shù)、高阻抗、高共模抑制比。實際應(yīng)用中，受到外界因素的影響，容易出現(xiàn)零點漂移現(xiàn)象。對此，可以設(shè)計直流電平控制電路、自動調(diào)零電路、長時間信號保持電路等，能有效抑制漂移量，提高測量精度。

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