桥式传感器经济型放大调零电路的制作方法

本实用新型涉及放大电路，特别是传感器放大电路。

背景技术：

1、桥式传感器

电桥是利用比较法进行电磁测量的一种电路连接方式。桥式传感器也就是采用惠斯通电桥结构的传感器，通常都为平衡结构，有开环式和闭环式，其中闭环结构如图1所示。

如图，输出电压计算公式为：

Uout＝Uin*(R1/(R1+R3)–R2/(R2+R4))

2、桥式传感器信号特点

桥式传感器的信号都为较小的电压信号，通常为不超过100mV，其零点通常在±10mV范围内。其输出特性如图2所示。

3、典型桥式传感器放大调零电路

桥式传感器毫伏级的电压信号太小，如果直接用于采样，相对于3.3V或 5V的参考电压，其采样精度会大大降低。桥式传感器的零点电压在某些条件下可能为负信号，该信号在只有一个正参考电压的采样电路中是无法测量的。如果增加负参考电压，无疑增加了采样芯片的功能要求，还需增加负参考电压的电源电路，使电路复杂化，又增加了成本。所以，桥式传感器的信号必须进行放大、调零后才能用于采样。放大调零后的典型的0.5～4.5V输出信号如图3所示，其零点输出为0.5V，最大输出为4.5V，后端电路可直接采样该信号；如需提高精度，可在后续增加修正和补偿(适用于高精密仪器)。实现桥式传感器的放大调零电路有两种方法。

第1种方法是使用信号调理芯片，其内部有放大、调零、校准和温度补偿的功能，其外围器件很少，如ZMDI公司的ZSC31010，美国美信公司的 MAX1452，以及苏州纳芯微公司的NSA2300等，其系统框图如图4所示，该电路构造较复杂，成本较高。

第2种方法是使用运放、电阻、电容等元器件搭建放大调零电路，其电路较复杂，但其元器件成本比专用信号调理芯片低1/2以上。图5是用运放搭建的典型的差分放大调零电路。图中R1、R2、R3、R4组成桥式传感器， R5、RP1、R6组成调零电路，A1、A2、A3组成差分放大电路，其总增益为： A＝Uout/(Uin+-Uin-)＝(R8+RP2+2*R7)/(R8+RP2)，RP2为调节增益用电位器，该电路增益可调区间为30～100倍。

该放大电路输入阻抗极高；A1和A2运放提高了差模信号比，即提高了信噪比；在保证有关电阻严格对称的条件下，各电阻阻值的误差对该电路的共模抑制比没有影响；该电路对共模信号几乎没有放大作用，共模电压增益接近零。该放大调零电路较复杂，再加上电源电路、EMC器件，对于一些体形较小的传感器，其内部很难放置这种复杂的电路。

技术实现要素：

本实用新型要解决现有技术中的放大调零电路构造复杂、成本高的问题，为此提供本实用新型的桥式传感器经济型放大调零电路，这种电路构造简单，成本低，使用效果好。

为解决上述问题，本实用新型采用的技术方案是由放大电路和调零电路组成，其特殊之处是所述放大电路设有运算放大器A1和运算放大器A2，并设有电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9和可调电阻RP2，运算放大器A1的正向输入端接输入信号负端，运算放大器A1的反向输入端并接电阻R5、电阻R6和电阻R7一端，运算放大器A2的正向输入端接输入信号正端，运算放大器A2的反向输入端并接电阻R8、电阻R9和可调电阻RP2一端，电阻R5另一端接地，电阻R6另一端接可调电阻RP2另一端，电阻R7另一端与运算放大器A1输出端连接并与电阻R8另一端连接，电阻R9另一端接运算放大器A2输出端，该端为信号输出端；所述调零电路具有由电阻R1、电阻 R2、电阻R3、电阻R4构成的电桥电路，该电桥电路一支路两端分别接输入信号正端和输入信号负端，电桥电路另一支路一端接电源正端，另一端并接可调电阻RP1，可调电阻RP1调节端接地。

下面组合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1是一种闭环结构的电桥式传感器电路；

图2是未经信号放大的电桥式传感器不同温度下毫伏级输出特性曲线图；

图3是经信号放大的电桥式传感器伏级输出特性曲线图；

图4是MAX1452电桥式传感器放大调零电路原理框图；

图5是一种典型的电桥式传感器差分放大调零电路；

图6是本实用新型的放大调零电路。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

桥式传感器经济型放大调零电路，参见图6，由放大电路和调零电路组成，所述放大电路设有运算放大器A1和运算放大器A2，并设有电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9和可调电阻RP2，运算放大器A1的正向输入端接输入信号负端，运算放大器A1的反向输入端并接电阻R5、电阻R6和电阻R7一端，运算放大器A2的正向输入端接输入信号正端，运算放大器A2 的反向输入端并接电阻R8、电阻R9和可调电阻RP2一端，电阻R5另一端接地，电阻R6另一端接可调电阻RP2另一端，电阻R7另一端与运算放大器A1 输出端连接并与电阻R8另一端连接，电阻R9另一端接运算放大器A2输出端，该端为信号输出端；所述调零电路具有由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻 R4构成的电桥电路，该电桥电路一支路两端分别接输入信号负端和输入信号正端，电桥电路另一支路一端接电源正端，另一端并接可调电阻RP1，可调电阻RP1调节端接地。

参见图5，相对于典型的放大调零电路，本实用新型的放大调零电路减小一个运算放大器和四个电阻，简化一电路，降低了成本。

1、调零电路分析

供电电压为U＝5V。假设桥式传感器为理想惠斯通电桥，其在零点时 R1＝R2＝R3＝R4＝R，相同条件(如相同压力)下的变化量同为△R。不加调零电阻RP1时，其输出为Uout＝((R3+△R)/(R1+R3)-(R4-△R)/(R2+R4))*VCC＝ (△R/R)*U，增益A＝△R/R。

当加入调零电阻，R3后端串联电阻为Z时，

由上式可看出，调节电位器会改变传感器的零位和灵敏度，但不改变传感器的线性。当Z＝0Ω或200Ω时灵敏度最大，为当 Z＝100时灵敏度最小，为当Z＝0Ω时零点最小，为Z＝200Ω时零点最大，为

桥式传感器中的电阻R一般都是KΩ级别，设R＝1KΩ，则可得到： A1＝0.955*10^-3*ΔR，A2＝0.952*10^-3*ΔR，其增益变化范围很小，最大变化百分比为(A1-A2)/A1＝(0.952-0.955)/0.955＝0.3％，相对于后端的放大电路，其增益变化可忽略；零点最大值为桥式传感器的输出跨度通常不超过200mV，该零点调解范围已足够大。

2、放大电路分析R5

设R6+RP2＝RP，Uin+电压为V+，Uin-电压为V-，A1运放输出为V1，A2 输出电压为Vo，根据放大电路可得：

可得：

当时，

当电阻不匹配时，会产生电阻不匹配误差。

设电阻不匹配误差则：

误差分析：

由式(1)可以看出，当电阻不匹配时放大器将会产生输出误差 -δ*V-，但该误差只与V-有关，而与V+无关。如果V-是一个变化的信号，则会产生动态误差，总误差就是动态误差和静态误差之和，其中：

静态误差：Verr＝-δ*V-

动态误差：△Verr＝-δ*△V-

动态共模增益：

动态共模抑制比：其中Ac表示差模增益

假设△V-最大动态变化量△V-max＝50mV，放大器额定输出电压Voe＝5V，即Ad＝100。电阻误差为1％时，设R5＝(1-1％)*100KΩ、R7＝(1+1％)*10KΩ、 R8＝(1-1％)*10KΩ、R9＝(1+1％)*100KΩ，则：

电阻不匹配误差：

最大动态误差：△Verr max＝-δmax*△V-max≈-4％*50mV＝-2mV

最大相对动态误差：

动态共模抑制比：

一般传感器信号强度很难达到△V-max＝50mV，即使在这种大变化量的信号下，最大相对动态误差仍只有0.04％，该动态误差可忽略不计。

本实用新型的特点及有益效果：

从上面的分析可看出这种放大电路的一大特点，即电阻不匹配产生的误差只与V-有关，而与V+无关，而且对动态误差的影响并不十分大。这主要得益于其误差与放大倍数无关，也就是说这种放大器对这类误差不产生放大作用。

另一大特点就是这种放大器电路只需使用两个运放单元，而且电路十分简单，但它却可以实现Uin+和Uin-高阻差动输入、可调放大倍数，完全可替代3运放所组成的差动放大电路。

调零电路简单，不改变传感器线性，零点调整范围大，其唯一的局限性是桥式传感器接地端必须是开路结构，能接入电位器。