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空氣質(zhì)量檢測、光電信號探測、加速度計、壓電傳感器以及生物體信號等高阻抗信號測量，易受到來(lái)自測量系統輸入電阻、輸入偏置電流的影響，實(shí)際測量系統中主要有與信號路徑相并聯(lián)的元器件如電阻、電容的分流，電纜泄漏電流和印刷電路板寄生漏電流的影響。因此，高阻抗微弱信號測量電路，必須經(jīng)過(guò)精心設計以滿(mǎn)足系統對低偏置電流、低噪聲和高增益的要求。 1 高阻抗信號測量原理與影響因數分析 高阻抗信號測量，易受到測量系統輸入阻抗的分壓與系統輸入偏置電流的影響。如圖l所示，將被測高阻抗信號源與測量系統相連，信號源的戴維寧等效電路由Vs與Rs串聯(lián)而成。假定測量系統的等效輸入電阻為Rin，輸入端電壓為Vin，由于Rs與Rin的分壓，使得輸入端電壓減小，測量系統的輸人端電壓為： 假定Rs=1 MΩ，Rin=100 MΩ。當Vs=1 V時(shí)，Vin=O．99 V，可以看出，系統輸入電阻的負載效應產(chǎn)生1％的誤差。實(shí)現高精度測量，需要增加測量系統的輸入阻抗。 如圖1所示，測量系統的偏置電流為Ibias，假定電流正方向為流入測量系統，這一電流將在源電阻Rs上產(chǎn)生誤差電壓，實(shí)際測量系統探測到的輸入電壓為： 0．99 V。此時(shí)，輸入偏置電流將引起1％的誤差。實(shí)現高精度測量，需要降低測量系統的輸入偏置電流。 從以上分析可以得出，提高測量系統的輸入阻抗和減小輸入偏置電流對高阻抗信號測量有著(zhù)重要的意義。測量系統的輸入阻抗應當遠大于被測信號源的內阻才能滿(mǎn)足對測量精確度的要求。 實(shí)際測量系統的等效輸入阻抗主要包括有信號電纜絕緣電阻、信號調理電路的分流電阻、放大器輸入阻抗，以及印刷電路板的寄生電阻。系統的輸入偏置電流主要包括有信號調理電路分流電流、信號輸入電纜和印刷、電路板上的泄露電流。目前，高輸入阻抗、低噪聲的FET放大器，其輸入阻抗高達1010～1012Ω，輸入偏置電流為皮安(pA)量級，電壓、電流噪聲性能都能滿(mǎn)足普遍應用場(chǎng)合。由于理想的高阻值電阻、低漏電流電容往往是難以得到的，從傳感器輸出的微弱信號，在經(jīng)過(guò)放大之前需要經(jīng)過(guò)各種調理，信號調理電路的設計顯得非常重要，它決定了測量系統的性能。如何提高測量系統的輸入阻抗，減小輸入偏置電流與降低系統噪聲成為了高阻抗微弱信號探測的主要考慮因數。這里主要就提高系統輸入阻抗和減小輸入偏置電流進(jìn)行研究和分析。 2 電路設計與分析 這里所指的保護，是指將電路中的低阻抗節點(diǎn)電勢與高阻抗輸入端電勢近似等電勢的一種技術(shù)，即通過(guò)低阻抗的保護電路，把電路中低阻抗節點(diǎn)的電勢強制拉升到與高阻抗輸入端電勢近似相等。這里針對被測信號是源電阻Rs=10 MΩ、交流信號幅值為O．1 mV、直流信號電平為0．1 V的高阻抗微弱交流電壓信號。信號源的戴維寧等效電路如圖2中左邊虛線(xiàn)框所示，為Vs與Rs串聯(lián)構成，信號調理電路包括高通濾波電路、前級放大電路和保護電路。 由于實(shí)際探測信號，頻率成分往往較為復雜，有時(shí)想要測量的信號，深深地掩埋在其他頻率信號噪聲中，因此，信號在進(jìn)入放大器之前，需要經(jīng)過(guò)濾波。本電路需要測量的信號為交流信號，被直流電平所掩蓋，因此需要先對其高通濾波，濾波截止頻率由被測量信號的帶寬決定，通過(guò)改變C1，R1的值來(lái)改變高通濾波截止頻率，這里需要注意的是，理論上電阻R1的阻值越大越好，這樣可以提供測量系統的輸入阻抗，實(shí)際上大阻值的電阻往往是不容易得到的，這里選用阻值為100 MΩ的電阻，高通截止頻率為fH=1．6 Hz。 如圖2所示，前級信號放大電路采用同相比例運算電路結構，此電路引入電壓串聯(lián)負反饋增大輸入電阻，減小輸出電阻，其放大倍數A等于： A=1+R4／R5 (3) 如圖2中所示，電路電阻取值分別為：R4=100kΩ，R5=1 kΩ，因此放大倍數A=101倍。這里需要注意同相比例運算電路具有高輸入電阻、低輸出電阻的優(yōu)點(diǎn)，但因集成運放有共模輸入，為了提高運算精度，應選用高共模抑制比的集成運算放大器。 常規方法測量時(shí)，電阻R1的下端直接與地相連，系統的輸入阻抗主要取決于電阻R1的值，系統的等效輸入阻抗約等于100 MΩ。由以上分析可以得出，其測量誤差會(huì )達到10％。這么大的誤差，在實(shí)際應用中是不允許的。通過(guò)設計保護電路，可以很好地解決這一問(wèn)題。 圖2中下側虛線(xiàn)框內的電路為保護電路，從放大器A1的反相輸入端引入信號到保護放大器Aguard的正相輸入端，保護放大器實(shí)則為電壓跟隨器。電阻R1的低電位端加上保護電位Vguard，當R2》R3時(shí)。在一定頻率范圍內，保護電位近似等于高阻抗輸入端電位Vin，可以通過(guò)調節R2，R3的阻值來(lái)改變保護電位的大小。保護電位由保護緩沖放大器提供，而不是由信號源提供．電阻R1的低阻抗端加上保護電位后，其電壓降將大大減小，流經(jīng)它的電流也將大大減小。 保護電路需要滿(mǎn)足信號路徑阻抗遠大于保護電路阻抗，即： 式中：Zs表示信號路徑的阻抗，Zg表示保護電路阻抗，本設計中，R2=100 kΩ，C2=1μF，Zs／Zg=1 000。 高阻抗微弱信號測量中，運算放大器的選擇是至關(guān)重要的，需要考慮高的輸入阻抗、低的輸入偏置電流、低噪聲等參數。該電路選用AD公司的極低噪聲BiFET運算放大器AD743，其輸入偏置電流最大值為250 pA，輸入阻抗高達1010Ω，CMRR達90 dB。 實(shí)際測量系統中，對于輸入信號電纜引起的誤差，可以選擇使用絕緣電阻盡可能高的電纜，另外，在電纜屏蔽層加上保護電勢Vguard，可以大大降低電纜泄露電流引起的誤差。印刷電路板由于污染等原因導致絕緣電阻下降而引起漏電流，當運放同相輸入端與電源輸入端相鄰時(shí)，會(huì )帶來(lái)干擾，因此，將保護電勢加載于運放輸入端與信號線(xiàn)周?chē)�，將大大減小信號路徑上的泄露電流，而來(lái)自電源的漏電流將會(huì )被保護電路吸收。 3 仿真結果分析 對圖2所示的電路，用PSpice仿真軟件對電路進(jìn)行模擬分析，交流掃描的結果如下，各關(guān)鍵節點(diǎn)電壓如表1所示，電阻R1的低阻抗端加上了90．121μV的保護電壓，流經(jīng)電阻R1的分流電流為90．031 fA。 如圖3所示，圖中上半部分為系統輸出信號波形，下半部分為系統輸入阻抗波形，從圖中可以看出，在頻率為100 Hz處，測量系統的輸出電壓值Vout為10．011 mV，交流輸入阻抗Rin為1．132 8 GΩ。經(jīng)計算，系統的放大倍數A為100．998倍。 從上述分析可以得出，采用保護電路大大提高了系統的輸入阻抗，減小了系統的輸入偏置電流。仿真結果與理論分析相符，保護電路對高阻抗微弱電壓信號高精度測量提供保障。 4 結 語(yǔ) 本文從高阻抗信號測量原理出發(fā)，分析了測量系統輸入阻抗和偏置電流對測量精度的影響，針對高阻抗微弱電壓信號，應用保護技術(shù)，設計了一種帶保護電路的高阻抗微弱信號放大電路，通過(guò)PSpice軟件仿真分析，驗證了該電路可實(shí)現對高阻抗信號的高精度測量，為高阻抗信號測量提供了一種有價(jià)值的參考方法。 |
