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電子技術(shù)的發(fā)展及對(duì)檢測(cè)儀器的影響
微電子技術(shù)的發(fā)展直接促進(jìn)了檢測(cè)儀器的發(fā)展。80年代，第4代運(yùn)放引入了斬波自穩(wěn)零電路，大大降低了失調(diào)電壓，其典型產(chǎn)品有HA2900，ICL7650等，其中Intersil公司研制的ICL7650是CMOS器件，輸入失調(diào)電流、失調(diào)電壓、偏置電流極小，輸入阻抗極大，開(kāi)環(huán)差模電壓和共模抑止比很大，有效抑制了零漂，同時(shí)由于采用了CMOS工藝，功耗低、溫漂及噪聲小，很適宜于放大μV級(jí)信號(hào)；其單位頻寬為2MHz，可有效放大10kHz交流信號(hào)，已遠(yuǎn)超過(guò)以往動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的上限頻率。因此，它的出現(xiàn)否定了以往的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的技術(shù)路線；同時(shí)儀表常用集成電路，如穩(wěn)壓器，A／D芯片，LED，LCD驅(qū)動(dòng)電路也大量涌現(xiàn)，并且成本較低，為實(shí)現(xiàn)應(yīng)變儀低成本高性能設(shè)計(jì)創(chuàng)造了有利條件。
3 新型應(yīng)變儀的設(shè)計(jì)方案
3．1 新型應(yīng)變儀的技術(shù)路線
基于電子技術(shù)的進(jìn)展，應(yīng)變儀的基本技術(shù)路線相應(yīng)的變化應(yīng)該是：用直流電橋代替交流電橋，用高性能放大器（ICL7650）取代交流放大器；用數(shù)字顯示或自動(dòng)數(shù)據(jù)采集取代機(jī)械式的指示裝置；在測(cè)量多路應(yīng)變信號(hào)時(shí)，直接使用多路放大，而棄用預(yù)調(diào)平衡箱；由于高性能運(yùn)放有較高的頻響，因此應(yīng)變儀不再有靜態(tài)、動(dòng)態(tài)之分，而是靜、動(dòng)態(tài)通用；應(yīng)變儀集數(shù)字指示和模擬輸出于一體，模擬輸出電平與通用A／D卡匹配，以構(gòu)成微機(jī)化自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。
3．2 整機(jī)結(jié)構(gòu)
圖1為儀器的整機(jī)設(shè)計(jì)框圖。儀器設(shè)置了8路測(cè)量放大電路，一個(gè)單刀八擲開(kāi)關(guān)，一個(gè)三位半數(shù)字電壓表。這樣，儀器可用于多達(dá)8路的靜態(tài)測(cè)試，不必接預(yù)調(diào)平衡箱，也可將信號(hào)輸出到磁帶機(jī)或A／D卡。
圖1 應(yīng)變儀的整機(jī)框圖
3．3 測(cè)量放大電路設(shè)計(jì)
測(cè)量放大電路是應(yīng)變儀的核心部分，其任務(wù)是將微弱的差動(dòng)信號(hào)放大到合適的電平，同時(shí)提高信噪比。放大電路設(shè)計(jì)為差動(dòng)輸入，單端輸出，任一量程上下限對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)幅值達(dá)到±5V，這樣，儀器可直接與通用A／D卡或磁帶機(jī)等記錄裝置相連。圖2為簡(jiǎn)化的電路原理圖。
圖2 測(cè)量放大電路
測(cè)量放大電路主要由4部分組成。模塊1為差動(dòng)放大部分，I1和I2為差動(dòng)輸入信號(hào)，其差動(dòng)放大倍數(shù)為（R1＋R2＋R3）／R2。模塊2為差動(dòng)放大、共模抑止電路，調(diào)整可變電阻R7可基本消除輸入端共模電壓。由于電橋輸出端一般有較嚴(yán)重的共模電壓干擾，將模塊1和模塊2組合，可獲得理想的差動(dòng)放大、共模抑止的效果。模塊3為2階低通濾波器，是一種無(wú)限增益多路反饋型濾波器。該型濾波器可實(shí)現(xiàn)較高的放大倍數(shù)，分擔(dān)整個(gè)測(cè)量放大電路的部分增益。采用濾波電路的必要性在于，一方面輸入信號(hào)中存在高頻的電磁感應(yīng)噪聲，另外，ICL7650運(yùn)放是斬波自穩(wěn)零型運(yùn)放，它在切換采樣、穩(wěn)零電路時(shí)引入了脈沖信號(hào)，因此需在后級(jí)電路中加以平滑。模塊4量程選擇和靈敏度調(diào)整電路，可實(shí)現(xiàn)2，4，10等3種放大增益，圖2中B0，B1為增益控制端。
運(yùn)放器件均選用ICL7650芯片，工作電壓為±7V，由2片78L07芯片提供。
整個(gè)測(cè)量放大電路增益分配合理，提高了電路工作的穩(wěn)定性。
3．4 抗干擾設(shè)計(jì)
儀器的輸入信號(hào)為μV級(jí)，又有變壓器、電源電路等