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为实现单片机采集传感器差分输出的调理电路设计

具有桥式结构的传感器很多,如利用应变原理、磁电阻原理和其他变电阻原理的传感器,可以实现对压力、位移、加速度、磁场等物理量的测试。这种结构的差分输出可以增加灵敏度,也有一定抵消外加干扰的能力。而且有的虽不是差分输出,比如电阻分压式的输出,可以认为是“半桥”,我们还可以人为的加上另一半,即加上一对精密电阻和一个电位器组成另一个分压电路,形成差分输出。每次调节电位器使差分输出为0,抵消零磁电压。

传感器的差分输出都很微弱,可以用示波器或采集工具观察输出是否正确。但要与后续驱动电路相连或与单片机等MCU相连,就需要进行放大。一般使用仪表放大器放大,有2运放和3运放的典型电路。用OP27这样的运放搭建,电路复杂且经过众多环节后精度难以保证,所以一般使用集成的仪表放大器芯片实现放大功能。下面就介绍一下我做过的为使传感器差分输出能够适于被51单片机采集而设计的调理电路。

传感器差分输出的峰峰值为0.3V左右,采用精密仪器放大器AD623放大,它本身还带有一个用以补偿电桥平衡电压的参考端。AD623只用单电源供电,可以简单的通过一个精密电阻RG实现放大,这对简化电路设计和降低功耗都有好处。依据式1选取电阻设定放大倍数。

其中,输出电压为Gain,调增益电阻为RG。

数据采集采用C8051F060,该单片机自带16位AD。AD管脚的有效输入范围为0~2.5V,为适应更多的数据采集情况设计了两级调理电路,使得单片机的采集部分能够接受±5V的输入范围,必具备通用性。第一级根据式2

使得有效输入为±5/6V,第二级加入放大环节变化到输入允许为±5V。

考虑到传感器输出幅值为0.3V,可以直接调理到第一级的±5/6V,省去了2级调理的部分简化电路。

综合考虑以上条件,选择放大倍数和增益电阻值。整个装置的精度由电阻值决定,所以必须选用高精度电阻。我们选择了准许偏差为±0.01%的RX70型精密绕线电阻器,温度特性为±10ppm/℃。相比较调理电路的精度,仪表放大器部分结构简单、精度更有保证,所以保证单片机对输入信号的调理精度更为重要。为提高采集精度,使用标准信号源测试,将采集到数据结果在单片机中进行线性补偿。为的是减少各部分调理电路带来的误差。

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