如何使用高精度仪表放大器实现远程检测

仪表放大器（IA）是检测应用的主力。本文将探讨一些利用仪表放大器的平衡和出色直流/低频共模抑制（CMR）特性的方法，使得仪表放大器配合阻性传感器（例如应变计）使用，传感器与放大器在物理上分离。本文将提出一些提高此类增益级的抗噪性，同时降低其对电源变化和元件漂移的敏感性的方法。文章还会提供实测性能值和结果以展示精度范围，方便最终用户应用进行快速评估。

详细说明

说到传感器，几乎没有什么能比得过惠斯登电桥（图1）。该电桥可产生差分电压，当物理参数变化时，差分电压会随之发生可预测的变化。差分电压还有抑制温度和时间漂移的附带好处。差分电压位于较大共模（CM）电压之上。使用仪表放大器来放大电桥提供的小信号。仪表放大器的优点在于，在电桥元件负载很少或没有负载的情况下，它可以检测差分电压并将CM抑制到传统运算放大器无法实现（因为要求外部电阻高度匹配）的程度。

图1. 惠斯登电桥

物理测量所用的电子设备常常远离被测物理参数。例如，埋在卡车称重站路面下方或桥梁结构内的应变计测量，不太可能位于读取测量结果的电子设备旁边。当使用双线四分之一桥接应变计（例如Omega公司的SGT-1/350-TY43）时，传感器放在远离检测放大器的地方，如图2所示，产生的结果不令人满意，即便传感器引线使用屏蔽双绞线也无效。

图2. 远程传感器设置受到环境噪声拾取的影响

问题在于，屏蔽双绞线不是对长电缆线路上的所有干扰都能抑制。在这种情况下，不能依靠仪器的良好平衡输入来消除CM影响。长电缆拾取的干扰对放大器正负输入的影响是不均衡的，而且输入包含CMR无法消除的不相关信号。因此，如图3所示，由于对CM噪声（看似如此）的响应不平衡，在电路输出端发现明显噪声并不奇怪。

图3. 麻烦的放大器输出端120 Hz 噪声（0.1 V/div ，2 ms/div ）

为了从CM（直流和干扰）中成功提取很小的电桥差分电压，一种解决方案是使用两对屏蔽或非屏蔽双绞线（UTP）。这样，仪表放大器的两个输入实现均衡，受到的CM噪声影响相同，如图4所示。诸如LT6370之类的器件具有出色的低频CMR （120 dB），能够可靠地抑制困扰IA输入的噪声。结果，即使在嘈杂的环境中，远距离输出波形也很干净。

图4. 使用两根非屏蔽双绞线进行远程检测

有了LT6370的全部CMR功能，我们可以更进一步，通过减少一对接线来简化配置，仅留下一根UTP。此概念如图5所示，其中U2的输入保持平衡以获得良好的CMR。注意UTP引线看起来与U2相同，并有相同的对地阻抗（R2、R4）。