引言

20世紀80年代初期，隨著微電子技術的發展，國外報道了利用存儲器芯片作為信息載體的數字存儲測試儀。20世紀90年代，傳感器與微型電子記錄儀組為一體的存儲測試產品在國際上出現。存儲測試技術是從七十年代開始的一種新的彈上參數的測試方法，它是在不影響被測對象或影響在允許范圍的條件下，在被測體內置入微型數據采集與存儲測試儀，現場實時完成信息的快速采集與記憶，事后回收記錄儀，由計算機處理和再現測試信息的一種動態測試技術。電子測壓器就是存儲測試技術的典型產品，它用于膛內壓力內實測膛壓參數，該動態壓力參數是評定火炮、火藥裝藥、彈丸和引信等的彈道性能好壞的重要依據。

信號調理電路的設計

信號調理電路在測壓系統中的作用

信號調理的目的是便于信號的傳輸與處理，其作用可以歸納為以下三點：

a）傳感器輸出的電荷信號要轉化成后續電路可以處理的電信號。

b）傳感器輸出的電信號很微弱，大多數不能直接輸送到記錄儀器中去，需要前置放大器對電信號進行放大。

c）電信號中混雜有干擾噪音，在檢測電路中需要設置濾波電路，目的是去除混雜在有用信號中的各種干擾，通過消除噪音來提高信噪比，對零位誤差和增益誤差進行補償和修正。

調平衡電路

由于電橋電阻的初始電阻值不完全相同，再加上連接導線電阻的串入，在未感受應變時，電橋存在初始不平衡，如果太嚴重將占據儀器的動態范圍，影響儀器的正常工作。儀表放大器除了對微弱的信號進行線性放大，還擔負著匹配和抗共模干擾的任務，因此，要求儀表放大器具有高共模抑制比、高速度、寬頻帶、高精度、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低噪音。

自動調平電路由X9C103、全橋電路以及附加適當的門電路組成。

本文設計的應變測量電橋由工作電阻應變片、溫度補償電阻應變片和兩個與所選電阻應變片阻值相等的精密電阻組成。但由于這四個電阻的初始電阻值不完全相同，再加應變片與測量電路之間需要用導線連接，由于導線本身存在一定的電阻，而且它和電阻應變片串聯在測量電路的橋臂上，所以導線的電阻也是橋臂電阻的一部分，但它本身不參加變形。在未感受應變時，使電橋存在初始的不平衡。如果此初始不平衡太嚴重，測量結果將存在一定的誤差。為了提高測量精度，有必要對初始電阻及導線引起的誤差進行修正。

電阻平衡調節電路如圖2所示。

如圖1所示，平衡電路由固定電阻Rb和電位器Ra組成。其中心抽頭將Ra分成xRa和（1-x）Ra兩部分。如圖2所示，x可從0變化到1，當x=0時電位器的抽頭連接到C點，使得Rb和R2 并聯。當x=1時電位器的抽頭連接到A點，使得Rb和R1 并聯。

圖1 電橋調平電路

儀表放大電路

在大多數儀器和測量裝置中，電橋的輸出端接到放大器的輸入端，因現代集成放大器的輸入阻抗往往在10MΩ以上。在這種接法中，電橋的輸出電流小到可以忽略不計，可以認為電橋的輸出對角是開路的。

本文設計的應變測量放大電路，選用美國TI公司的INA128，它是一種低電壓通用型儀表放大器。由于特性優良，加之體積小，并可用一個外部電阻方便地從1到10000設定增益，使得INA128能夠廣泛應用于信號采集放大、醫用儀器及多通道系統等很多領域，可以在低至±2.25V的電源電壓下工作并且靜態工作電流很小，是便攜式和其它用電池供電系統的理想器件。

圖2 電橋調平原理圖

圖3 典型的儀表放大器原理圖

圖4 INA128外部引腳圖

放大器由兩級串聯，前級是兩個同項放大器，為對稱結構，輸入信號加在A1、A2的同項輸入端，從而具有高抑制共模干擾的能力和高輸入阻抗。后級是差動放大器，它不僅切斷共模干擾的傳輸，還將雙端輸入方式變換成單端輸出的方式，適應對地負載的需要。

INA128采用激光刻蝕，有低閥值電壓（50μV/℃）和高常規模式下的衰減，及較低供電電壓，可低至供電靜態電流僅有700A，所以，電池供電很理想。內部輸入保護可在40V內而不受損壞。

INA128的內部結構圖如圖5所示。

圖5 INA128的內部結構圖增益設定

INA128的基本連接中用一個獨立的外部電阻RG可以獲得的放大倍數為：G=1+50kΩ/RG。

式中50kΩ為INA128內部的兩個放大器反饋電阻之和，它們都經過激光校正，具有很高的精度和很小的溫度系數，手冊給定的器件性能已經包括了它們的影響。外接電阻的精度及溫度穩定性直接影響增益，特別是增益較大時（G≥100），連線及插口的電阻也會對增益帶來附加誤差。也就是說，式中的RG值應為外接電阻與連線等雜散電阻的總和。

噪聲干擾

INA128的內部噪聲很小，當G≥100時，0.1Hz到10Hz的低頻噪聲輸出的電壓信號大約只有0.2μVp-p，這比目前最新的低噪聲斬波放大器還要小很多。為減小外部干擾和電源噪聲的影響，應在緊靠電源引腳的地方接去耦電容器。

失調補償

INA128經過激光校正，因此，失調和溫漂都很小，多數情況下無需調整，必要時可對電路進行外部補償。加電壓跟隨器將調零電路與儀表放大器加以隔離，維持引腳Ref的低阻抗，保證了放大器良好的共模抑制比。

共模輸入信號范圍

若輸入信號中的共模電壓過大時，會使輸入放大器飽和。在臨界飽和時，VO的輸出電壓為VO=VCM－VO/2。INA128的線性輸入范圍大約從電源-1.7V到+1.4V。對于確定的電源電壓，輸出電壓Vo越大，允許的共模信號越小。

低電壓運行

INA128的最大特點是適用的電源電壓范圍很寬。電源電壓從±2.25V到±18V變化時，大部分參數仍能維持很好的性能，其具體電路如圖6所示。

圖6 放大電路原理圖

濾波電路設計

壓力傳感器的信號經過調平衡電路和儀表放大器之后為了達到比較理想的測量效果，往往還需要對信號進行濾波，去除信號中疊加的噪聲干擾。本文計劃采用二階壓控低通濾波器，實現對壓力傳感器信號的濾波。測量系統從傳感器拾取的信號中，往往包含噪聲和許多與被測量無關的信號，并且原始的測量信號經傳輸、放大、交換、運算及各種其他處理過程，也會混入各種不同的噪聲，從而影響測量的精度。這些噪聲一般隨機性很強，很難分布于頻率域中某一特定的頻帶中。信號分離電路一般利用濾波器從頻率域中實現對噪聲的抑制，提取所需的測量信號，是各種測量系統中必可少的組成部分。在實際的測試系統中，如果要求我們放大的是微弱的小信號，在放大的同時一些干擾信號也隨之放大，嚴重的影響了我們的測試質量，因此，需要對原始信號進行預處理。前置濾波電路（抗混疊濾波器）是我們削弱噪聲一種常用手段。濾波器的主要功能是讓指定頻段信號能較順利地通過，而對其它頻段信號起到衰減作用。在高沖擊場的測試中，前期需要抑制的主要是高頻信號，以避免在一定的采樣頻率下造成信號頻譜的混疊。需要設計低通濾波器來進行預處理。低通濾波器的作用是使高頻信號盡可能的衰減，而使有用的低頻信號順利通過。

濾波器的類型

按照所處理信號形式的不同，濾波器可分為模擬與數字兩大類。二者在功能特性方面，有許多相似之處，在結構組成方面有又有很大的區別。前者處理對象為連續的模擬信號，而后者則為離散的數字信號。

濾波器對不同的頻率的信號有三種不同的選擇作用：

（1） 在通頻帶內信號受到很小的衰減而通過。

（2） 在阻帶內使信號受到很大的衰減而抑制。

（3） 在通帶和阻帶之間的一段過渡帶受到不同程度的衰減。

濾波器對不同頻率帶在全頻帶中分布的位置不同，可實現對不同頻率信號的選擇作用。根據所選擇的頻率濾波器四種類型即：高通、低通、帶通、帶阻。此外還有一種全通濾波器，各種信號都內能夠通過，但相位有不通的變化，他實際是一種移相器。根據電路的組成又可以分為LC無源濾波器、RC無源濾波器、LC有源濾波器和RC有源濾波器。根據傳遞函數則可分為一階濾波器，二階濾波器和高階濾波器。

電源電路介紹與信號調理電路的仿真

任何電子設備都離不開電源，為了使壓力傳感器中的惠斯通電橋能夠正常工作，我們需要提供比較準確的電源，并且其紋波電壓一定要非常小。

電源電路的作用

電源控制技術是放入式電子測試儀器實現低功耗的關鍵技術。簡言之，即電路在需要工作時給其供電，在不需工作時斷電，減小電路無效操作時功耗的比例。此時系統有多種電源供電，采用單電池電源實現多分支電源網絡管理，使得系統各功能模塊的電源相對獨立供電，在不工作時可以分別斷電，以節省功耗，但此時需要注意帶電部分和不帶電部分的兼容問題。

電源芯片的選擇

目前比較常用的電源芯片有7325、7333、7350、AD587等，這些電源芯片分別能夠輸出穩定的2.5V、3.3V、5V、10V電壓，通過旁路電容的設計，其紋波電壓較小，比較適合用來做電源控制電路。

電橋采用恒壓電源供電時必須保證供電電壓在采樣頻率，負載等諸多外部環境改變的情況下保持高度穩定，在實際應用中不使用專門的穩壓電源很難做到這一點，因此，本設計中采用LP2987作為專門的電源。

信號調理電路的設計及仿真

仿真的過程可分為以下幾個步驟：

1.數據輸入：將用戶創建的電路圖結構、元件數據讀入，選擇分析方法；

2.參數設置：程序會檢查輸入數據的結構和性質，以及電路中闡述的內容對參數進行設置。

3.電路分析：對輸入信號進行分析，它是電路仿真的關鍵。它將形成電路的數值解，并將所得數據送到輸出極。

4.數據輸出：從測試儀器如示波器等上點獲得仿真運行結果。并進行分析。

圖7 濾波電路原理圖

圖8 電源電路的結構圖

圖9 電橋供電電源

圖10 仿真電路圖

由于在仿真庫中無法找到INA128芯片，所以，根據該芯片的內部結構可采取應用具體芯片連接的方法進行放大部分的仿真。放大器由兩級串聯，前級是兩個同項放大器，為對稱結構，輸入信號加在A1、A2的同項輸入端，從而具有高擬制共模干擾的能力和高輸入阻抗。后級是差動放大器，它不僅切斷共模干擾的傳輸，還將雙端輸入方式變換成單端輸出的方式，適應對地負載的需要。其輸入基準電壓值根據設計的需要值為125V。

（1）具體波形從濾波器可以看出輸入波形的幅度為20mV，偏置電壓值為0.25V，而輸出波形的幅度則為2.4V，約為輸入波形的幅度的100倍，與設計要求基本相一致。如圖11所示輸出波形為A通道，量程為2V/格。輸入波形為B通道，量程為2mV/格。

（2）從圖中我們可以看出：

a 幅頻特性：

如圖12，在截止頻率158.7KHz處，幅頻特性為3.024dB，在平直段則為6.032dB。3.024-6.032≈-3dB。

b 相頻特性 ：

由公式得抗混疊濾波器的截止頻率。仿真結果（圖13）中，相位在-90.17°處，頻率為159.4KHZ，與理論值160KHz近似相等。

圖11 輸入輸出波形圖

圖12 幅頻特性圖

圖13 相頻特性圖

總結

本文在分析國內外壓力測試系統發展現狀的基礎上，針對電阻應變式測壓傳感器設計了電橋的調平電路、信號放大電路、濾波電路以及電源電路。壓力傳感器輸出信號非常微弱，難于測量和分析，測試結果誤差較大，設計壓力傳感器的信號調節電路和恒壓電源電路得到穩定、放大、不失真的輸出信號有理論價值和實際意義。采用由X9C103、全橋電路以及附加適當的門電路組成自動調平電路；采用儀表放大器INA128為核心構成放大電路；采用放大器OPA340構成二階低通濾波器；采用專用電源芯片構成恒壓電源電路。使用Protel專用電路設計軟件實現了電路設計，使用EWB電路仿真軟件完成信號調理電路的仿真。仿真結果表明，放大電路實現了信號100倍的放大，低通濾波電路截止頻率為159Hz，與理論值相同，從而驗證了設計的正確性。將各模塊進行綜合，實現對壓力傳感器的調平、濾波和電源控制，并且繪制原理圖，對該電路進行仿真。

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