微弱信号调理电路和模数转换电路的探讨

微弱信号调理电路和模数转换电路的探讨ADiscussionofweaksignalprocessionandA/Dcircuit郭斌欧阳烨（中科院上海微系统与信息研究所传感器国家重点实验室）GuobingOuYangYei摘要：模拟电路的设计知识虽散,设计人员需具备一定的实践经验，但也是有轨可寻。本文通过直流激励MEMS压力传感器，尤其是交直流激励MEMS差分电容振动加速度传感器的调理电路和模数转换电路的实现二个典型电路，来阐述模拟电路的设计的一些方法、规律，抛砖引玉。关键词：差分电容传感器前置放大阻抗匹配信号调理线性放大A/D模数转换电路Abstract:ThisarticlediscussesfourtypicalprocessionandADcircuitsforDCstimulatedpressuresensor,AC/DCdifferencecapacitancevibrationaccelerationsensortopresentsomemethodsofanalogcircuitdesign.引言:在20世纪80年代崛起的数字技术迅猛发展的光芒照耀下，模拟技术的进步，确显的蹒跚滞后。但现时随着科学技术的不断发展，人们对自然认识的“与时俱进”，在电子电路技术领域对模拟电子线路的认识又重新进行了定位。虽然今天的模拟电路的功能大部分可以用集成电路来实现，但至今仍有许多模拟电路不得不采用大量的分离电路或混合电路来实现，特别是在大功率、高频、A/D、D/A接口电路，而其中模拟电路的难点应当首推为微弱信号的调理电路和模数转换电路。成功的电路测控系统，要求传感器和模拟电路有有机的阻抗匹配和能量匹配，系统要求电路平衡。通常定义传感器是一种换能器，严格来说,传感器是一种接收信号或受激励并以电信号响应的能量转换器件。传感器将其它类型的能转换成电能，正是因为传感器有如此类型的特点,传感器及其相关的转换、调理电路和模数转换电路可用来测量各种不同的物理量，例如：温度、力、压力、流量、光强、物体加速度等。但是就传感器本身而言传感器不能独立工作，通常它是和信号调理电路和各种模拟信号电路或数字信号电路构成一个电路系统。大多数传感器其满度输出都是相当小的微弱的信号,在进一步作模拟或数字处理之前,必须对它们的输出进行适当的处理。据此,便发展出了通常称之为的信号调理电路的一大类分枝电路。这类电路，大至分为放大、电平转换、电隔离、阻抗变换、线性变换和滤波电路等。但是,不管采取哪种调理方式,调理电路的结构和性能都取决于传感器的电特性和输出。根据传感器的一种分类法,将传感器分为有源和无源二类。一般而言,有源类传感器是指无需外部激励自身可以产生变化的电信号；无源类传感器则是指需外部激励方可产生变化的电信号,且自身不能产生电信号。激励又可分为直流激励,交流激励,交直流混和激励三种。本文根据上述传感器的分类,联系具体的MEMS压阻式、MEMS电容式传感器的应用。来谈一谈调理电路和模数转换电路的实现的一些方法、规律。传感器调理电路和模数转换电路的实现1)直流激励MEMS压力传感器调理电路和模数转换电路的实现图一是一个测量压力的电路原理图,选用的压力传感器是目前时尚的微机械MEMS压力传感器。微机械MEMS系统传感器,是近些年来发展较快的一新科技领域，是以硅为基体,在此基础上发展出流量、压力、振动、角速度传感器系列等。MEMS压力传感器采用惠斯通电桥可变电阻法,一对惠斯通桥臂电阻被光刻在硅悬臂梁的正反二面上,当悬臂梁受外力胁迫变形时,会对这对惠斯通电桥臂电阻产生一拉,一压的作用效果，这时，这对电桥臂电阻的阻值就会发生变化。外力引起的变化调制成这对电阻的阻值变化。硅MEMS压力传感器是一种无源传感器,硅悬臂梁在压力作用下产生变形,从而引起这对惠斯通桥臂电阻的阻值变化。在外加直流电压或电流的激励下,外加压力通过引起电阻的变化，被调制成电信号的变化。这对惠斯通电桥臂电阻采用光刻蚀而成,一般在10K左右。用MEMS做成的压力传感器比应变片做成的压力传感，电阻值高，器灵敏度高,抗干扰性好，寿命长。图一是一个测量压力的电路原理图：U3AD741R2R1D12CW1532184U2ALF353567U2BLF35332671548U1ICL7650R3R4R5R6R8R9R7R10R12R14C1C4R11C3C2VCCVCCVCCVCCOUTPOT2R13R15传感器C51234RESISTORBRIDGE（图一)具体电路如图一所示,一级运放U1采用增益可调平衡差动放大电路输入法，其目的是最大限度的压制共模干扰,提高系统精度。图二增益可调平衡差动放大电路原理及等效电路图32671548U1ICL7650R1R1RfRfRfRfR'VCCRwC4R1R1RfRfRfRfR0Rw'C1RU0V1V2VwVvV-V+A(V+-V-)V2V1（图二）图二是增益可调平衡差动放大电路原理及等效电路图，其中RW'=RW=+R'，R00据此推到出可调平衡差动放大电路输出对输入的关系，由节点方程：V-（G1+GF）-V1G1-VWGF=0……………………(1)V+（G1+GF）-V2G1-VVGF=0……………………(2)VW（2GF+GW’）-V-GF-V0GF-VvGW’=0……………………(3)VV(2G+GW’)-V+GF-VwGW’=0……………………(4)根据理想的放大器：V-=V+，A=∞R∞,所以可得:V0=2G1GF2(GF+GW’)(V2-V1)=2RFR1(1+RF/RW’)(V2-V1)……………………(5)故增益可调平衡差动放大电路增益:K=V0V2-V1=2RFR1(1+RF/RW’)可见,当RW值增加时,则K减小;当RW’--∞时,即VW和VV之间开路,K=2RF/R1,这和传统的差分放大电路相同;若RW’RF,则可对K起到很好的精密微调作用.第一级运放U1采用的是差分输入，选用的运算放大器是自斩波、自稳零运算放大器ICL7650。该放大器可同时完成调制和解调工作,因而可直接放大直流信号,且失调小,输入阻抗高.差分信号经一级ICL7650放大后,将通过二阶有源低通滤波器,滤除高频杂波,再经跟随器输出。二阶有源低通滤波器的截止频率200Hz。滤波器和跟随器选用的运算放大器是高精度、低漂移、运算放大器LF353。为提高系统精度，本电路系统采用恒流，灌电流直流激励,避免传感器电阻值变化不平衡引入热噪声。模拟电路使用的恒流源常有，拉电流和灌电流二种,本电路系统采用的是灌电流恒流法。U3和周围电路组成恒流源，调节电位器POT2可以改变灌电流的大小。2)交直流激励MEMS差分电容振动加速度传感器调理电路和模数转换电路的实现加速度传感器是将运动或重力转换成电信号的传感器,一般把加速度传感器与电信号调理电路集成后制的成组件称为加速度计。重力加速度及匀加速度常被称为直流加速度或静态加速度，由振动等产生的动态加速度称为交流加速度。现流行的，科技较前沿的MEMS器件加速度计，其传感器原理一般基于差动电容，加速度计主要由质量弹性元件，位移测量系统及信号调理电路构成。图三平行金属板电容器结构原理图（图三）位移测量系统的基本工作原理常是利用电容变化的物理特性。最简单的电容器是由两平行金属板构成，如图三所示。电容C=k/X0,k是与板间距离及金属板间物质相关的特性常数。由电容可以求出平行金属板间距X0。一般都是在平行金属板间插入中间极板构成差分电容来测量微小距离。如上图三所示，静止时，每个极板间隔为X0，电容C=k/X0。如果中间极板的移动距离为x,则CA=k/(X0+x),CB=k/(X0-x);可以写成CA=C*X0/（X0+x）,CB=C*(X0-x);电容之间的电容差△C=CA-CB=C*X0[1/（X0+x）-1/(X0-x)]=-2x/(X02-x2),对于微小电容，微小位移x,上式可以简化为△C=-2x/X02,即电容的差△C与位移x成正比例。结论：可以根据测量△C知到物体的运动速度和加速度，他们具有相应的微分关系。图四MEMS电容式振动加速度传感器结构图：横梁中间极板CS1=CS2CS1CS2CS1CS2无加速度有加速度（图四）图四,中间极板(即横梁的伸出部分)与二个固定的外极板组成差动电容CS1和CS2.。没有加速度时,CS1=CS2；产生加速度时，横梁的移动改变了中间极板和固定的外极板之间的相对位置，引起电容变化，CS1≠CS2。可通过一定的测量电路，将电容的变化，在外加交流电压的激励下转化为电学量，电X0X0CACB压或电流输出，通过测量电学量就能够测得该物体相应的瞬时速度或瞬时加速度值。图五交直流激励差分电容振动加速度传感器调理电路方框图：P高稳定交流信号源容差式电容传感器同相驱动器反相驱动器移相器电荷转移放大器电压调整器双平衡解调器二阶有源低通滤波器跟随器输出OutAGC闭环反馈控制回路12CON2（图五）如图五所示，差分电容振动加速度传感器（属无源传感器）需在外加电压的作用下方能将振动信号调制为电信号输出。由于差分电容振动加速度传感器属电容性器件，有隔直通交作用，所以不能用直流信号作激励源，只能采取交流激励法将振动信号调制在交流激励信号之上；将调制信号适度放大，使之有了抗杂波和分辨的能力，再经同步解调，解调出能反应振动加速度大小的电信号；电信号再经过二阶低通滤波器，滤除高频成分；最后信号经调整，经跟随器输出。该套电路在开环的基础上有选择地增加了AGC控制回路，拟增加传感器的灵敏度和带宽，压低噪声。具体电路如图六所示：采用芯片U0（MAX038）信号发生器芯片产生1MHz的正弦交流信号；U1（AD797）运算放大器组成反相比例放大器，U2（AD797）运算放大器组成反同相比例放大器。1MHz的交流信号经U1，U2后，变为大小相等，方向相反，及相位相差为1800的二个交流激励信号，用该交流激励信号激励差分电容传感器；U4（AD745JR）是高输入阻抗电荷转移放大器，该放大器的特点是具有很高的输入阻抗，漏电电流极小（注：MEMS电容传感器△C一般只有1—4p，漏电对传感器的精度影响很大），提高系统精度。U4是调理电路的中心，它是将在外加激励信号的作用下，传感器振动引起的电荷的变化转移成电压信号的变化。R12、R13、R14采用T型连结，目的是提升电路阻抗，提高电路系统放大倍数。U6（AD797）运算放大器是将C11、R16组成的高通滤波器已去除低频干扰后的电压信号经适当放大，为下一步同步解调作好准备；U3（AD797）运算放大器组成的移相电路,其作用是使调制信号和解调信号同步;本传感器调理电路的同步解调器所采用的芯片为美国AD公司生产的平衡解调器U5（AD630），所谓平衡解调器是指：调制信号被解调出的结果只和调制信号的相位、频率有关而和调制信号的幅值无关；经U5同步解调出的电压信号就是反应振动加速度大小的信号；U9（OP137）运算放大器组成二阶有源低通滤波器，电压信号经二阶低通滤波器，滤除信号中高频噪音成份；U10（OP177）运算放大器组成跟随器，信号经调整，跟随输出。U7（OP137）运算放大器组成反馈AGC回路，将振动加速度信号的输出信号比例后反馈回源极，使动极板产生和加速度方向相反的静电力，目的是增加加速度计的灵敏度和带宽。该套加速度计的分辨率为2-18。图六交直流激励差分电容振动加速度传感器调理电路：DADJ7V-20OUT19GND18V+17A14DV+16DGND15SYNC14PDI13FADJ8COSC5GND6PDO12GND11REF1GND2A03GND9IIN10U0MAX038RINA1CHA+2D0ADJ3D0ADJ4CMADJ5CMADJ6CSBA78SELB9SELA1011COMP12VOUT13RB14RF15RA16RINB17CHB+18CHB-19CHA-20U5AD630AD(20)1234567U1AD7971234567U2AD7971234567U3AD7971234567U6AD79