低噪声应力采集电路的设计

摘要：本文设计了一种低噪声的应力采集电路。通过对应力采集电路的噪声分析，提出了采集电路中噪声消除的方法，电路包含电桥电路、信号放大调理电路、数据转换电路。通过实验测试，消除了电路中的噪声，稳定了ADC的输出，实现了应力在低噪声下的采集。

关键词：低噪声 应力采集 消除

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）01-0133-01

本文设计的应力采集电路，是对应变片的阻值的变化进行放大采集，对应变片的阻值变化进行实时监测，电路中非常大的噪声会严重影响采集的精度和准确性，因此我们要对电路进行噪声分析，消除电路中产生的噪声。

1 电路总体设计

应力的采集电路包含电桥电路、信号放大调理电路、信号转换电路。电桥电路使用惠更斯电桥，为了降低功耗，在满足精度的前提下使R1=R3=910W，R2=R4=120W。信号放大调理电路使用仪表运放对电桥输出的差分电压进行放大，并使用DAC对电桥调平衡，对仪表运放进行调零。信号转换电路对放大后的差分信号进行采集，将模拟信号转换成数字信号，进行采集保存。ADC选择TI公司的12位模数转换芯片ADS7886。他具有低功耗，小封装，外部电源作为参考电源的优点，非常适合电桥电路信号的采集。

2 电路中噪声的分析以及决方案

模拟电路中的噪声一般有三个来源，一是器件本身存在的噪声，例如电阻、仪表运放和ADC，这些都将是芯片本身所携带的。第二个来源是传导噪声。传导噪声来自模拟信号路径上的器件和电源器件，电源器件以及电源的传导路径都有着噪声的存在。电路噪声的第三个来源是辐射噪声。一般来说，辐射噪声可能是由于两条平行且靠近的走线间形成耦合而出现的，也可能来自外部电磁干扰（EMI）信号。

对于第一种噪声来源，器件的选择就成为电路设计成败的主要影响因素，低噪声器件的选择将会降低系统中的噪声。电桥电路中的电阻本身存在热噪声，热噪声存在跟温度以及电阻本身的阻值有关，其关系式如下：

（以为单位）

一般的电阻还存在着温漂。因此对于电桥中电阻的选择我们选择使用精度为0.1%，温度系数为5PPM阻值为120和910的电阻，充分降低由电阻产生的噪声。

放大电路中的仪表运放也是电路中噪声的主要来源。放大器本身存在着噪声，因此我们需要选择低噪声的运放。设计中我们选择ADI公司的双运放、低噪声仪表运放AD8426。由芯片手册我们可知，芯片的噪声仅为24 nV/√Hz，在信号为低频的情况下，噪声将非常小，可以忽略。

对于传导噪声，我们需要在ADC之前增加一个低通滤波器，会有效地降低混叠噪声。在PCB板的绘制过程中，对ADC和运放是用单点接地，也将有效的降低了导线上产生的噪声。传导噪声的另一个来源是电源。对于这一问题，我们在所有有源器件的电源引脚和地之间增加一个旁路电容。通过接地面，可以消除大部分传导噪声。

最后一种噪声，走线之间的耦合往往会带来辐射噪声，设计中我们将两条走线隔开，通过适当的电路板布局屏蔽避免外部噪声。

解决了上述器件噪声、传导噪声和发射噪声等问题，我们就能够设计出低噪声的应力采集电路。

3 电路图的设计

电源转换芯片我们使用ADI公司的ADP3330-5线性稳压芯片。供电电源为7.4V的电池，使用此芯片将电压转换为5V来给电路中的芯片供电。

电桥的输出信号与激励电压有关，电桥的驱动电压和ADC的电压我们使用同一个电压。在仪表运放和ADC芯片的每个供电引脚我们均加上一个0.1uf小电容和一个10uf的钽电容，起到退耦的作用。在ADC之前我们加一RC低通滤波器，降低混叠噪声。

DAC供电我们使用外部基准电源，选择使用TI公司的REF3140基准电源，将5V电压转换为4.096V给DAC供电，并在电源引脚附近加上一个0.1uf和10uf的钽电容进行退耦，稳定DAC的输出。图2为所设计的电路图。

4 结语

通过这次的低噪声应力采集电路的设计，我们得出了一些低噪声模拟电路设计的一些经验。（1）检查电路中使用的器件并保证它们均是低噪声器件。（2）永远在电路板的一层布设不间断的接地面。（3）对于混合信号电路中的信号，利用低通抗混叠滤波器进行正确的滤波。（4）对所有器件进行适当的旁路设计；电容要尽量靠近器件的电源引脚。（5）对电源进行恰当的滤波。

参考文献

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