Инструментальный усилитель AD8555: Измерительные системы на мостовых тензодатчиках становятся проще и совершеннее

Резистивные мостовые тензодатчики широко применяются там, где нужно преобразовать
физическую величину — такую, как давление, сила или вес, — в электрический сигнал.
Этот электрический сигнал обычно довольно мал, поэтому его необходимо усилить,
прежде чем подавать на вход АЦП измерительной системы. В данной статье говорится
о новом интегральном инструментальном усилителе, обладающем малым уровнем дрейфа
и многочисленными возможностями, и о его применении в системах с тензодатчиками
на примере датчика давления.

На рис. 1 показана функциональная схема типич
ной системы измерения давления. Давление вызы
вает смещение механического элемента — такого,
как диафрагма, трубка Бурдона (упругая трубка,
согнутая полукольцом), металлическая «гармошка»
и т. п. Это смещение приводит к изменению сопро
тивления резисторов тензомоста.

Наиболее распространены датчики давления, осно
ванные на резистивной мостовой схеме Уитстона, в ко
торой все четыре элемента могут изменять свое со
противление под действием деформации, что обеспе
чивает оптимальную линейность и чувствительность.
Когда давление передается через диафрагму, два ре
зистивных элемента моста подвергаются растяжению,
два других — сжатию. При этом их сопротивление
меняется пропорционально действующему давлению.
Мостовая схема возбуждается при помощи постоян
ного напряжения или тока, в результате чего на вы
ходе схемы возникает электрический сигнал.

Резистивные элементы могут быть связаны меха
нически с металлической диафрагмой, и их сопро
тивление изменяется в пределах около 0,1% от но
минального значения. Когда к мосту приложено на
пряжение или подан ток, столь небольшое изменение
величин сопротивлений резистивных элементов при
водит к разбалансировке моста и к появлению диф
ференциального напряжения (или тока) на выходе.

Другой вариант конструкции моста — полупровод
никовые резистивные элементы, которые могут быть
запрессованы в упругую диафрагму. В таком тензо
датчике сопротивление резистивного элемента мо
жет меняться в большей степени — около 1% от но
минального значения.

Очень хорошее и подробное описание принципов
работы тензодатчиков и мостовых схем различных
конфигураций имеется в книге Analog Devices Sensor
Signal Conditioning manual [1]. (Также имеется пере
вод на русский язык материалов семинара по датчи
кам, см. [2] — А.В.)

Усиление и формирование сигнала

Сигнал, возникающий на выходе тензомоста,
обычно довольно мал и содержит шум, а также по
грешности смещения и усиления. Прежде чем под
вергать этот сигнал оцифровке, его необходимо уси
лить, откорректировать смещение в соответствии
с диапазоном входного сигнала АЦП и отфильтро
вать с целью уменьшения уровня шума. Блок усиле
ния и формирования сигнала, обозначенный
на рис. 3, может быть сконструирован на операци
онных усилителях и дискретных элементах, однако
применение специализированных инструменталь
ных усилителей способствует снижению затрат,
уменьшению размеров устройства и экономии вре
мени разработчика.

В типичных случаях дифференциальный сигнал
на выходе тензомоста — его размах составляет де
сятки или сотни милливольт — пропорционален дав
лению и напряжению возбуждения, приложенному
к мосту. Например, рабочий диапазон датчика дав
ления Honeywell 26PC01SMT составляет ±1,0 psi.
При напряжении возбуждения 5 В смещение нуля
(при нулевом давлении) на выходе будет составлять
около ±2 мВ, а полный размах выходного дифферен
циального напряжения составит от ±14,7 мВ
до ±18,7 мВ, при этом синфазное напряжение будет
равно 2,5 В. Для того чтобы с высокой точностью измерить это небольшое дифференциальное
напряжение в присутствии большого синфаз
ного напряжения, необходим инструменталь
ный усилитель с присущей ему способностью
подавлять синфазный сигнал. Например,
при разрешающей способности 12 разрядов
напряжение единицы младшего разряда
(1 LSB) будет составлять менее 10 мкВ
(35 мВ/4096), что на 101 дБ ниже уровня син
фазного сигнала.

Ручная подстройка тензомоста

Мост Уитстона в системе измерения давле
ния обычно подстраивается вручную, для того
чтобы устранить погрешность и откорректиро
вать рабочий диапазон. Подразумевается в про
цессе производства измерительной системы
подстройка таких параметров, как смещение,
дрейф температуры, коэффициент передачи
и дрейф коэффициента передачи. На рис. 4 по
казан мост, снабженный подстроечными рези
сторами для компенсации перечисленных по
грешностей. Процесс подстройки занимает вре
мя и повышает стоимость готового изделия.
Альтернативная возможность — калибровка
смещения с помощью подачи сигнала с выхо
да цифро-аналогового преобразователя на опор
ный вход инструментального усилителя. Коррекция смещения необходима, так как в про
тивном случае погрешность смещения будет
уменьшать динамический диапазон системы.

Ввиду некоторого разброса коэффициента
преобразования датчика для большинства из
мерительных систем требуется регулировка
усиления. Обычно это осуществляется посред
ством подключения подстроечного потенцио
метра последовательно с внешним резисто
ром, устанавливающим коэффициент усиле
ния инструментального усилителя. Для того
чтобы обеспечить хорошие характеристики
в широком температурном диапазоне, более
предпочтительна программная установка
и подстройка усиления.

Погрешности
инструментального усилителя

На рис. 5 показаны типичные источники
погрешностей при подключении датчика
к схеме усиления и формирования сигнала.
Ток смещения входа инструментального уси
лителя протекает через резисторы тензомос
та. Любой разбаланс сопротивлений тензо
моста или ток смещения входа усилителя
приводит к появлению погрешности смеще
ния. Эта погрешность, умноженная на коэф
фициент усиления, появляется на выходе.
Кроме того, напряжение смещения и ток сме
щения зависят от температуры. Другие важные источники погрешностей — это точность
установки коэффициента усиления усилите
ля, нелинейность усилителя и шум. Для сис
темы с мостовым тензодатчиком требуется
усилитель, обладающий высокими значени
ями точности установки коэффициента уси
ления, низким током смещения, малым дрей
фом напряжения смещения и малым дрей
фом тока смещения.

Усилитель AD8555 решает
рассмотренные проблемы

Для измерительных систем на основе мос
товой схемы, таких, как системы измерения
давления, фирма Analog Devices разработа
ла усилитель AD8555 — новый инструмен
тальный усилитель с нулевым дрейфом и ци
фровым программированием параметров.
Данный инструментальный усилитель пост
роен на трех ОУ с автоподстройкой нуля (A1,
A2, A3) — см. рис. 6.

Для того чтобы не нагружать мостовой дат
чик, дифференциальный вход усилителя обла
дает высоким импедансом и малой величиной
тока смещения на обоих входах (V_POS и V_NEG).
Технология автоподстройки нуля минимизи
рует смещение и дрейф смещения за счет не
прерывной коррекции ошибки усилителя
по постоянному току (каким образом это де
лается — см. [3]). В результате максимальная
величина смещения составляет 10 мкВ в тем
пературном диапазоне –40…+125 °C, при этом
величина дрейфа не превышает 65 нВ/°C.

Величину коэффициента усиления в диапа
зоне от 70 до 1280 можно запрограммировать
с шагом менее 1 (что соответствует разрешению лучше чем 0,4%) через однопроводной
последовательный интерфейс в каждом
из двух каскадов усиления отдельно. В техно
логии DigiTrim® установленный коэффициент
усиления фиксируется за счет «пережигания»
перемычек из поликристаллического кремния.
Коэффициент усиления первого каскада ус
танавливается в диапазоне от 4,00 до 6,40,
в этом диапазоне имеется 128 значений коэф
фициента усиления, соответствующих значе
нию 7-разрядного кода, при этом регулиру
ются потенциометры Р1 и Р2; усиление вто
рого каскада составляет от 17,5 до 200 и может
иметь 8 различных значений, которые опре
деляются 3-разрядным кодом, при этом регу
лируются потенциометры Р3 и Р4. Значения
коэффициентов усиления можно установить,
затем проконтролировать работу системы, за
тем установить новое значение — прежде чем
запрограмировать эти коэффициенты усиле
ния окончательно.

V_out = (Gain)×(V_diff)+V_offset

где G_ain = (Усиление 1 каскада) × (Усиление
2 каскада); v_diff — дифференциальное напря
жение, которое нужно измерить; N_DAC-code —
величина кода на входе ЦАП.

Точно так же, как и усиление, смещение мо
жет быть установлено временно, переустановлено, а уже потом зафиксировано окончатель
но путем «пережигания» перемычек.

Возможность работы от одного источника
питания — условие, которое является очень
желательным при выборе современного ин
струментального усилителя. Многие совре
менные системы сбора данных питаются
от однополярного низковольтного источника.
Усилитель AD8555 работает при однополяр
ном питании напряжением от 2,7 до 5,5 В.
Выходной сигнал усилителя может находить
ся в пределах диапазона напряжения питания,
приближаясь к напряжениям питания с «зазо
ром» около 7 мВ.

Схема обнаружения неисправности ИС
AD8555 способна обнаруживать обрыв датчи
ка, короткое замыкание на входе или «плава
ющий» вход. При любом из этих состояний
выходной сигнал усилителя переходит в низ
кий уровень, приближаясь к «земле» или VSS.
Замыкание или обрыв также обнаруживают
ся на входе V_CLAMP. При помощи внешнего
конденсатора, подключенного к AD8555, мож
но организовать низкочастотную фильтрацию
с частотой среза до 400 кГц.

ИС AD8555 в схеме усиления
и формирования сигнала
мостового тензодатчика

Инженеры-разработчики предпочли бы,
чтобы все датчики давления одинаковой мар
ки имели идентичные характеристики.
Но обычно выпускаемые промышленностью
датчики не обеспечивают высокую идентич
ность параметров. Единственный способ,
которым можно было бы добиться идентич
ности датчиков, — это их дополнительная ка
либровка при производстве. Если поведение
датчиков в зависимости от температуры бы
ло бы одинаково, можно было бы использо
вать программируемые усилители нового по
коления для обеспечения компенсации ухода
параметров.

ИС AD8555 с инструментальным усилите
лем с нулевым дрейфом обеспечивает возмож
ность калибровки усиления и смещения с по
мощью цифрового интерфейса. Этот прибор
может компенсировать погрешность смеще
ния и погрешность коэффициента преобра
зования мостовых тензодатчиков, а также об
наруживать сбой в работе датчика. Регулиров
ка параметров осуществляется программным
путем, что позволяет избавиться от подстро
ечных резисторов и трудоемкого процесса ка
либровки. Во многих случаях, когда от изме
рительной системы требуется компактность,
надежность, возможность работы в широком
температурном диапазоне, ИС AD8555, выпу
скаемая в корпусе LFCSP размером 4U4 мм,
становится наиболее удачным вариантом вы
бора. ИС AD8555 может работать с нагрузкой,
обладающей довольно большой емкостью, по
этому она может быть расположена вблизи
датчика и соединена со схемой обработки сиг
нала длинным кабелем. Высокая степень функ
циональной интеграции и высокая точность
выделяют данную ИС из ей подобных.

Пример применения

В ряду датчиков одинаковой марки величи
на смещения может достигать 20%. Коэффи
циент передачи датчика также может разли
чаться почти в два раза. Ниже показано, ка
ким образом с помощью ИС AD8555 можно компенсировать разницу в напряжении сме
щения и коэффициентах передачи, что спо
собствует расширению динамического диапа
зона при дальнейшей оцифровке сигнала.
На рис. 7 показана схема измерительной сис
темы, в которую входят мостовой тензодат
чик, ИС AD8555 и АЦП AD7476.

Характеристики датчика

Датчик давления для поверхностного монта
жа 26PC01SMT представляет собой мостовой
датчик, который совместно с ИС AD8555 пред
ставляет собой довольно компактный програм
мируемый блок измерения давления. В техни
ческом описании приведены его спецификации
для напряжения питания 10 В, мы пересчитали
их для 5-вольтового питания (табл. 1).

Схема усиления также вносит некоторую
погрешность, которая проявляется в виде сме
щения. Погрешности усилителя AD8555 пе
речислены в таблице 2.

Условия: R_моста = 2500 Ом, диап. полной шкалы = ±16,7 мВ, A_V = 150, V_СИНФ = 2,5 В, V_ВЫХ = 0…5 В.

Из таблицы видно, что доминируют стати
ческие погрешности на входе усилителя
AD8555. Они могут быть устранены калибров
кой усилителя, так же как и разброс параме
тров датчика. Погрешности, вызываемые шу
мом тока, дрейфом усиления и смещения,
минимальны, и их можно проигнорировать.
Остаются ошибки, которые невозможно уст
ранить калибровкой — это шум и нелиней
ность усиления.

Так как шум ограничивает точность и раз
решающую способность, при точных измере
ниях слабого сигнала требуется малошумящий
усилитель с малым дрейфом. Усилитель
AD8555 обладает плотностью шума, приведен
ного ко входу, около 32 нВ/vГц. Величина шу
ма в диапазоне от постоянного тока до 10 Гц
составляет 0,7 мкВ (размах от пика до пика).

Мост, усилитель AD8555 и АЦП питаются
от источника питания напряжением 5 В. Раз
мах напряжения на выходе моста находится
в пределах от ±14,7 до ±18,7. Напряжение сме
щения при нулевом давлении находится в ди
апазоне ±2 мВ. Тогда требуемый коэффици
ент усиления усилителя при диапазоне сигна
ла на входе АЦП от 0 до 5 В будет составлять от 134 до 170. При смещении выходного сиг
нала 2,5 В сигнал будет находиться в пределах
от 0 до 5 В при изменении давления в преде
лах ±7 кПа.

Сначала следует установить минимальное
усиление — 134. При нулевом давлении на вхо
де следует установить смещение таким обра
зом, чтобы на выходе усилителя было напря
жение 2,5 В. При этом компенсируется как на
пряжение смещения датчика, так и напряжение
смещения самого усилителя. Затем нужно по
дать давление ±7 кПа и путем подбора коэф
фициента усиления добиться напряжения
на выходе усилителя 5 В— 1 LSB. Смещение
на выходе также зависит от установленного ко
эффициента усиления, поэтому калибровка
смещения и усиления должна быть произведе
на повторно. Или же можно вычислить необ
ходимый коэффициент усиления после изме
рения размаха выходного сигнала, а уже потом
можно откалибровать смещение, тогда калиб
ровка будет осуществлена за один прием.

Заключение

Усилитель AD8555 упрощает конструкцию
измерительной системы на базе тензомоста
за счет предоставления следующих возмож
ностей: наличия усилителя с автоподстройкой
нуля и программируемым коэффициентом
усиления, возможности программирования
смещения, обнаружения неисправности дат
чика, низкочастотной фильтрации,— все это
в целом обеспечивает всю сигнальную цепоч
ку от датчика до АЦП.

Фирма Analog Devices предоставляет удоб
ную возможность ознакомиться с работой уси
лителя — для этого фирма выпускает оценоч
ную плату AD8555AR-EVAL.

Литература

1. http://www.analog.com/Analog_Root/static/
   pdf/amplifiersLinear/training/Sensor_sect2.pdf.
2. http://www.autex.ru/lib/seminar/
   sensor_1999.zip.
3. Усилители с автокоррекцией нуля (choppers).
   http://www.analog.spb.ru/Public/
   pub_opamp.htm