微伏级信号放大，请大家指点(已回复fzyuan、yuri714、zoupeng139

只看该作者 · 2008-12-11 09:31

如图，最近在做一个称重传感器信号调理电路，图中黑色方框内是电阻应变片式称重传感器，在传感器上放100g的重物时，传感器输出300微伏左右的差模电压（还有大概2.5V的共模电压），该电压通过仪器放大器INA326进行了10000倍放大，INA326的输出电压为3V左右。最后通过低通滤波器进入AD。

现在遇到了问题：INA326的输出电压存在漂移，漂移大概5-8mV，比如：INA326输出电压应该为3.125V时，实际的电压是3.122V-3.128V，使用万用表能够测量出这种变化，用示波器也能观察到。这种漂移导致称重不准，如果漂移能够限制在1mV以内，就可以接受了。

我现在能够想到的可能的原因是：
1、为称重传感器供电的电源不稳，如果电源电压漂移几个微伏，那传感器输出肯定要漂几个微伏，现在的电源是1117-5V，不知道这个电源行不行？
2、称重传感器的信号线是两根没有屏蔽的普通电线，是否需要做屏蔽？
3、使用20Hz低通滤波器是否合适，我用的是LT1069-1开关电容式低通滤波器，不知道用它是否合适？

目前我只想到了以上三个可能的原因，不知道是否还有其他问题？请大家帮忙了，特别是如过有哪位兄弟以前做过这个东西，请您指教，多谢，多谢。

只看该作者 · 2008-12-11 16:41

INA326的在100HZ的等效输入噪声100nV/√HZ，加上电阻热噪声，再放大10000倍后，在20hz带宽内的输出噪声rms值大概是四五个毫伏左右，引起你的输出变化。

只看该作者 · 2008-12-11 18:48

天神下凡，你好。
请问，如何减少等效输入噪声和电阻热噪声，使输出的信号不漂移呢？
对于这种微伏级的信号放大，除了这个方案还有其他更好的方案吗？如果有，请您推荐一个，谢谢。

1万 · 2008-12-11 19:22

不能等到放大了再抑制或滤波。

你屏蔽（电缆）这样的问题还要请示谁？

·仪表放大器应该在输入端进行滤波。共模差模都要进行。

----
这句话肯定有问题，“电源不稳，如果电源电压漂移几个微伏，那传感器输出肯定要漂几个微伏”，电桥的好处之一就是抑制电桥激励的波动问题，不会有你说的这种情况的。

只看该作者 · 2008-12-11 20:18

这种问题用不着查其他的，应变片的激励源是绝对不可以用普通的电源，激励源的要求有：低噪声、高稳定性（包括长时间漂移和温漂）、足够的负载调整率、足够的输出功率。

2楼所说的噪声问题应该不是主要的：
INA326的在0.01～10Hz的等效输入噪声约200nVrms，
而电阻（350欧姆）的热噪声极低，并且噪声性质基本属于白噪声，在低频部分的能量极小。

对于4楼所说的“电桥的好处之一就是抑制电桥激励的波动问题，不会有你说的这种情况的”，我觉得不是那么回事：
确实，在某些条件下，电桥可以抑制激励源波动，这是什么样的情况下呢？只有在“0”位（既4臂完全平衡时）可以不管激励源如何变化，输出仍为0，除此之外，就没有可以忽略激励源了。另外一方面，我们通常是通过调整激励源电压来实现电桥输出灵敏度的调整的，也就是说，楼主在5V激励下输出300uV信号，如果改用10V激励，则输出信号就是600uV了。

对于楼主电路中的20Hz的LPF，并且是用开关电容式的，我太不理解了：
1、20Hz是否高了点儿？楼主需要动态测量吗？否则秒级的响应就够了；
2、还要开关电容滤波器？要求截止频率的精度很高吗？要求截止特性很陡？否则就完全没有必要了。
因为这一级的滤波器与AD芯片的输入特性关系较大，现在还不知你的AD型号，所以无法推荐。

1万 · 2008-12-11 21:16

激励源影响确实是有，但“电源电压漂移几个微伏，那传感器输出肯定要漂几个微伏”倒是不是那么回事。激励源漂时，传感器漂多少，看电桥有当时状态，但不会跟着激励源走漂的。

好象高光天有一本书讲到这事时比较详细。记得是组织编译的书。

只看该作者 · 2008-12-11 22:11

楼主的变化是杂乱无章的么？还是有规律的变大变小呢？

电源的变化应该不至于影响那么大么？不是有个电源抑制比么！

只看该作者 · 2008-12-12 09:19

传感器连线的屏蔽基本没用，因为应变片的阻抗本来就很低。

倒是安装应变片的弹性体与系统地之间可以连到一起（可以导线直连或用电容链接）试试，以减少共模干扰。

激励源对传感器输出的影响是成正比的。

只看该作者 · 2008-12-12 09:20

选用高质量（也就是高价格）的适用的传感器电源，

我还见过传感器电源和AD的VRef用同一个电源，这样可以排除电源波动产生的低频差模干扰

INA326的失调漂移指标是不是不够啊？用期望的1mV除以INA对输入端漂移的放大倍数，得到对运放的失调漂移指标的要求，然后照此要求选合适的INA。

低频的1/f噪声也是个问题，100nV/√HZ的指标是不算大，不过你放大倍数是10000。。。

换器件吧，换掉INA326

低频的漂变应该与屏蔽无关吧

请教下，能不能请解释下什么时开关电容滤波？

在这个例子中，二阶无源滤波应该也是不错的选择，还有如果用到单片机的话，数字滤波也是不可少的

只看该作者 · 2008-12-12 09:34

我觉得在优质的INA前面加2个无源滤波对共模干扰的衰减作用未必能弥补由此带来的共模变差模干扰

iC921 发表于 2008-12-11 19:22 模拟技术 ←返回版面

4楼：噪声抑制，是从每个地方做起的

不能等到放大了再抑制或滤波。

你屏蔽（电缆）这样的问题还要请示谁？

·仪表放大器应该在输入端进行滤波。共模差模都要进行。

----
这句话肯定有问题，“电源不稳，如果电源电压漂移几个微伏，那传感器输出肯定要漂几个微伏”，电桥的好处之一就是抑制电桥激励的波动问题，不会有你说的这种情况的。

只看该作者 · 2008-12-12 11:25

iC921 你好。对于你提出的几个问题：
“噪声抑制，是从每个地方做起的”
“不能等到放大了再抑制或滤波。”
“你屏蔽（电缆）这样的问题还要请示谁？”
“·仪表放大器应该在输入端进行滤波。共模差模都要进行。”
“这句话肯定有问题，“电源不稳，如果电源电压漂移几个微伏，那传感器输出肯定要漂几个微伏”，电桥的好处之一就是抑制电桥激励的波动问题，不会有你说的这种情况的。 ”

1、“噪声抑制，是从每个地方做起的” ，同意。
2、“不能等到放大了再抑制或滤波。”
如果不经过滤波而直接放大，那么在放大器的输出端能够看到峰峰值为100mV左右的工频干扰，也就是说在放大器的输入端存在峰峰值为10微伏左右的工频干扰，请问如果将低通滤波器放在放大器的前面，它能够滤掉10微伏的工频干扰吗？在设计电路的时候，我并不清楚这个问题，所以就将滤波器放在了放大器的后面，不知道这样能不能真正起到滤波的作用，或者这样做会不会带来其他的问题？请你解答。
3、“你屏蔽（电缆）这样的问题还要请示谁？”
现在换上了屏蔽线，效果确实有所提高。请问，屏蔽线的使用方法是不是将包在线缆外层的金属屏蔽层接在电路板的地上就行了，有没有其他的注意事项？
4、“·仪表放大器应该在输入端进行滤波。共模差模都要进行。”
这句该如何理解？是不是将两个低通滤波器分别接在称重传感器的D+ D-西线上？
5、“这句话肯定有问题，“电源不稳，如果电源电压漂移几个微伏，那传感器输出肯定要漂几个微伏”，电桥的好处之一就是抑制电桥激励的波动问题，不会有你说的这种情况的。 ”
请参考5楼fzyuan的说法，我认为他说的更有道理，因为电桥有输出电压，所以此时电桥是不平衡的，譬如Vo=0.001*Vcc（假定系数为0.001），Vcc的波动肯定会导致输出电压Vo的波动，Vo和Vcc之间存在一个系数，并且由于Vo很小，Vcc为5V，所以这个系数是非常小的，这就导致Vcc的波动对Vo的影响被极大的减小了，以致可以忽略不计，所以，从这个角度来理解，你的说法也可以认为是正确的。

只看该作者 · 2008-12-12 11:44

fzyuan，你好，对于你提出的几个问题：
1、
“这种问题用不着查其他的，应变片的激励源是绝对不可以用普通的电源，激励源的要求有：低噪声、高稳定性（包括长时间漂移和温漂）、足够的负载调整率、足够的输出功率。”

我目前用的是国半生产的1117-5V，按照你的说法，这个线形稳压芯片应该不行吧？对于我目前使用的称重传感器，你能不能提供一款市场上能够买到的低噪声、高稳定性的电源芯片呢？最好能提供具体型号，谢谢。

2、
“2楼所说的噪声问题应该不是主要的：
INA326的在0.01～10Hz的等效输入噪声约200nVrms，
而电阻（350欧姆）的热噪声极低，并且噪声性质基本属于白噪声，在低频部分的能量极小。”

以前从来没考虑过白噪声的问题，不太懂啊，不发表评论了。200nVrms，rms是什么东西？？！

3、
“对于4楼所说的“电桥的好处之一就是抑制电桥激励的波动问题，不会有你说的这种情况的”，我觉得不是那么回事：
确实，在某些条件下，电桥可以抑制激励源波动，这是什么样的情况下呢？只有在“0”位（既4臂完全平衡时）可以不管激励源如何变化，输出仍为0，除此之外，就没有可以忽略激励源了。另外一方面，我们通常是通过调整激励源电压来实现电桥输出灵敏度的调整的，也就是说，楼主在5V激励下输出300uV信号，如果改用10V激励，则输出信号就是600uV了。”

同意你的看法，请看我对ic921的回复。

4、
“对于楼主电路中的20Hz的LPF，并且是用开关电容式的，我太不理解了：
1、20Hz是否高了点儿？楼主需要动态测量吗？否则秒级的响应就够了；
2、还要开关电容滤波器？要求截止频率的精度很高吗？要求截止特性很陡？否则就完全没有必要了。
因为这一级的滤波器与AD芯片的输入特性关系较大，现在还不知你的AD型号，所以无法推荐。”

fzyuan握一下手啊，你说的太对了，AD转换器我用的是ADS1100，在设计这个电路的时候，我原本打算用RC做低通滤波的，但当时就是考虑搞不懂ADS1100的输入特性，怕影响ADS1100的性能所以就没敢用RC滤波，而是用了LT1069开关电容滤波。所以，请问如果使用RC做低通滤波，在电阻、电容的使用上有哪些需要注意的地方？
此外，我在使用LT1069的过程中还发现了两个问题：
1、LT1069好像是非RailtoRail的，即LT1069 5V供电时，最大只能输出4.3V左右，请问这种现象正常吗？
2、对于你提出的20Hz是否高的问题，因为LT1069需要单片机提供一个固定频率的方波信号作为其截止频率，而我在使用过程中发现，如果在单片机中使用定时器来输出方波，由于在单片机中存在比定时器优先级更高的中断，所以有时定时器输出的方波频率会有很小的变化，就是这个频率上的变化，会导致LT1069输出电压出现波动，所以最后我使用了单片机中的PWM功能来输出这个方波，此时方波的频率是非常稳定的，LT1069没有波动，但pwm最低只能输出20Hz的方波，所以只好用它了，20Hz确实高了一些。所以，请问，对于我这种情况，将截止频率设为多少比较合适？谢谢你。

只看该作者 · 2008-12-12 13:39

1、1117是作为系统电源应用的，其稳定性并不高。噪声约150uVrms，温度稳定性仅0.5%，这些还不是最重要的，要紧的是你用它作系统电源，其上连接的还有单片机、通讯芯片，可能还有显示，而这些电路的工作是会造成很大噪声并且会带来不稳定因素的。电桥的激励源，可能的话你可以用LM385做基准然后用放大器（如LM358等）输出5V。
2、白噪声是指在整个频带均匀分布的，对于缓慢变化的信号（或者说直流信号），这种噪声很容易通过滤波器滤除，对于直流微弱信号，1/f噪声相对难于处理，通常情况下要依靠芯片性能来保证。rms是指有效值；
3、对于之后的lpf，应根据你产品的需要和ADC的性能来选择。如果你不需动态测量而又有条件用有源滤波器的话，那么可以将响应设在秒级的水平（但实际上这里的lpf所起作用并不大，可以不用的）。
得知你的ADC是ADS1100，这款AD性能还是很不错的，有内部PGA，但是缺乏内部基准并且输入阻抗较低。建议你采用ADS1110，这是他的升级版，内有2.048V的基准，温漂仅5ppm每度。

附图给了我的建议

只看该作者 · 2008-12-12 14:17

zoupeng139，你好。对于你提出的几个问题：

1、
“楼主的变化是杂乱无章的么？还是有规律的变大变小呢？”
如果不经过滤波器，那输出信号中有50Hz的工频干扰，在示波器上能看得到。
如果经过了滤波器，在示波器上就看不到50Hz的干扰了，此时信号的变化是杂乱无章的，在示波器上看不到规律。

2、
“电源的变化应该不至于影响那么大么？不是有个电源抑制比么！”
电源抑制比？！，没听过这个概念啊，只知道共模抑制比。

只看该作者 · 2008-12-12 15:28

谢谢你的图片。
对于你提出的问题：

1、
“传感器连线的屏蔽基本没用，因为应变片的阻抗本来就很低。倒是安装应变片的弹性体与系统地之间可以连到一起（可以导线直连或用电容链接）试试，以减少共模干扰。”，同意。

2、
“激励源对传感器输出的影响是成正比的。”同意，请参考11楼我对IC921的回复。

3、
“1117是作为系统电源应用的，其稳定性并不高。噪声约150uVrms，温度稳定性仅0.5%，这些还不是最重要的，要紧的是你用它作系统电源，其上连接的还有单片机、通讯芯片，可能还有显示，而这些电路的工作是会造成很大噪声并且会带来不稳定因素的。电桥的激励源，可能的话你可以用LM385做基准然后用放大器（如LM358等）输出5V。”
在整个信号调理的电路里，我使用了5片1117-5V分别为称重传感器、仪器放大器、低通滤波器、AD转换器供电，单片机供电使用一片1117-3.3V，1117价格比较便宜，成本上可以接受，这样做最大程度的减小了电源方面的问题。
我查了一下NS生产的1117-5V，它的RMS Output Noise( % of Vout )是0.003%，即5V输出时，它的噪声为150uV(RMS)。如果称重传感器的供电电压为5V，其输出经过10000倍放大后是3V，则称重传感器的输出特性曲线可以表示为：Vo=Vcc*0.00006,考虑电源噪声为150uV，则由电源噪声引起的传感器输出噪声是150uV*0.00006，经过10000放大后的噪声为150uV*0.00006*10000=90uV，这个噪声电压远远小于1mV，我想是可以接受的。不知道你认为怎样？
你提出的“用LM385做基准然后用放大器”的做法，我不是特别理解，请看附上的图片，是不是这么设计的？由运放组成同相比例放大电路，请问这样的设计方案的精度、温度稳定性、噪声等参数特性与高精度的线性电源相比怎么样？

4、
“2、白噪声是指在整个频带均匀分布的，对于缓慢变化的信号（或者说直流信号），这种噪声很容易通过滤波器滤除，对于直流微弱信号，1/f噪声相对难于处理，通常情况下要依靠芯片性能来保证。rms是指有效值；”
理解了白噪声和RMS，谢谢。

5、
“对于之后的lpf，应根据你产品的需要和ADC的性能来选择。如果你不需动态测量而又有条件用有源滤波器的话，那么可以将响应设在秒级的水平（但实际上这里的lpf所起作用并不大，可以不用的）。”
同意。请问该如何根据“ADC的性能”来选择呢？比如用RC做LPF可以吗？电阻选择10K欧姆可以吗？
“得知你的ADC是ADS1100，这款AD性能还是很不错的，有内部PGA，但是缺乏内部基准并且输入阻抗较低。建议你采用ADS1110，这是他的升级版，内有2.048V的基准，温漂仅5ppm每度。”
实际使用，ADS1100的AD性能还不错，但它内部的PGA实在不怎么样，发现偏差比较大，所以我将PGA设为1。正在考虑使用ADS1110，多谢提醒。

6、看了你给出的电路图，有几处还是不明白，请教一下：
1、在你给出的电路图上，传感器的D+ D-之间接入了104的电容C1，请问这个电容有什么用？是不是一定要加上呢？
2、R2、R3应该是两个限流电阻吧？我在电路中没有加这两个电阻，会不会出问题啊？
3、电容C3并联在R2、R3之间，有什么用？请解释一些，多谢多谢。

只看该作者 · 2008-12-12 15:49

1、
“难过地弱问一下，开关电容滤波器是啥。。。”
开关电容滤波器就是滤波器的一种啊，去看看清华童诗白的“模拟电子技术基础” 吧，上面有详细的介绍。

2、
“选用高质量（也就是高价格）的适用的传感器电源，
我还见过传感器电源和AD的VRef用同一个电源，这样可以排除电源波动产生的低频差模干扰”
你这个想法和我的一个朋友的想法一样，但仔细想想还是存在问题的：如果传感器电源和AD的VRef用同一个电源，当电源存在噪声或漂移时，比如电源漂移了100uV，那个AD的Vref也漂了100uV，但根据15楼的计算公式100uV*0.00006*10000=60uV，二者只是存在比例关系，并不相等，所以只是改善了性能，并不能从根本上解决电源噪声和漂移的问题。

3、
“INA326的失调漂移指标是不是不够啊？用期望的1mV除以INA对输入端漂移的放大倍数，得到对运放的失调漂移指标的要求，然后照此要求选合适的INA。
低频的1/f噪声也是个问题，100nV/√HZ的指标是不算大，不过你放大倍数是10000。。。
换器件吧，换掉INA326
低频的漂变应该与屏蔽无关吧
请教下，能不能请解释下什么时开关电容滤波？
在这个例子中，二阶无源滤波应该也是不错的选择，还有如果用到单片机的话，数字滤波也是不可少的”

呵呵，你说的确实有道理，我最开始打算用静电级放大器INA116呢，不过老板不干，太贵了，只好用326了。
“什么时开关电容滤波？”，其实我原本打算用RC滤波的，但害怕R、C参数选的不好，影响后级性能，所以就选了个便宜点的开关电容滤波器。
请问用RC做低通滤波器，fcutoff确定的情况下，R、C的参数该如何选啊？
我在单片机中进行了低通滤波，如果没有单片机中的低通滤波特性就更差了。

只看该作者 · 2008-12-12 16:44

在1117的输入级串一个337，电源纹波要好很多，据说达到1UV但实际应用中没有，

只看该作者 · 2008-12-12 16:53

你吧传感器以及放大器等都放在一个屏蔽盒内，然后放大器的地与屏蔽和相连，我觉得50HZ应该会消除，前面楼主说将线换为屏蔽线，效果好些。那样不够，因为你的传感器暴露在外面，而且是第一级，很容易引入干扰机噪声。这方面建议楼主看一下《电子电路抗干扰实用技术》，里面讲了很多，很有用的。尤其是屏蔽的方式以及屏蔽的接地点……

如果真的都是杂乱无章的变化，那就是噪声啊，不是漂移啊，主要是电路处理的问题了，倒是好办了吧。主要屏蔽，接地，滤波。

关于滤波，20HZ就是低频信号了，楼主选用的是Delta-Sigma ADC ，本身就有抑制50HZ噪声的作用。你用的是有源滤波么？我觉得RC滤波就可以了。关于R的选取主要是看ADc的输入阻抗多少，如果是10K，那么你R选择10欧左右应该是可以的吧，就是从分压方面考虑。

我也是菜鸟……呵呵

只看该作者 · 2008-12-12 17:09

建议你最好还是测一下板子上1117-5的输出与INA326的漂移有没有关系。

1117已经被做滥了，上次我们采购买的1117-1.8接5V输入还有不少输出4.7V呢。

只看该作者 · 2008-12-12 20:18

针对15楼的3：

我为什么极力反对用LM1117做激励源呢？
1、温漂大，全温范围0.5%的漂移，虽然他经过矫正，在常温下的漂移已被降低许多，但是，仍无法达到精密测量的要求；
2、长时间稳定性差，1000小时0.3%，虽然短时间内不一定可以测出，但这是隐患，同时这也说明这种工艺的IC的应用范围；
3、噪声，他只给出了10Hz以上的噪声，但是对于精密直流测量最重要的10Hz以下的噪声却没有给出，为什么？因为在他的应用中没人关心这个指标，作为电源（譬如为运放供电），10Hz以下的纹波完全可以被运放的“电源抑制比”消化掉，但作为激励源，这些噪声却会与电压变化一样被100%的反映到传感器的输出。
4、最重要的一点，LM1117可能管得太多了，其他芯片的负载变化都会导致电源电压波动，而这些波动都将100%的反映到传感器的输出。

但是，一定条件下仍旧可以使用LM1117作为激励源：
1、LM1117仅为传感器、INA326、ADS1100供电，没有可变负载；
2、AD以LM1117的电压为基准；
3、INA326增益降低，满量程输出不大于1/2。
这样由于参考电压与激励电压同步变化，就可以得到不变的AD码了。

对于15楼的5：
ADS1100或ADS1110的PGA，我用过，完全没有问题，所以我还是建议你降低INA326的增益，让AD来承担一部分。另外有一点不明白，如果INA是单电源供电的话，零位怎么办？当传感器输出0时，INA输出不能到0，那么在接近0点时，线性将变得很差。

对6：
传感器输出端的电容和ADS1110输入端的电容是同一个道理，降低那些容易降低的噪声，使电路更稳定，提高抗干扰性能。而那两个1k电阻，总得有吧，否则
C3怎么加得上去呀？C3还可以降低动态电阻，保证AD采样的准确性。

你那个图应该是那么个道理，但，通常需要在稳压管和反馈电阻上并适当电容，运放输出的驱动能力是否足够，不足的话需加三极管扩流。

另外，还好你老板没有同意你使用INA116，否则你就死的很惨了，就没法救了。哈哈

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应该是噪声问题

问题

噪声抑制，是从每个地方做起的

这种问题用不着查其他的

称重电桥通常是单臂

噪声还是漂移？

另外还有：

难过地弱问一下，开关电容滤波器是啥。。。

我一直怀疑共模滤波的效果

To iC921

To fzyuan :

总结之前的几个问题：

To：zoupeng139

To fzyuan：

To yuri714：

我的经验

我觉得楼主首先要把屏蔽做好

别光看Datasheet

继续

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