1. 单电源下做应变片测量为什么总有人翻车先讲三个不明显的限制先说我自己的经历。第一次用AD620搭应变片电桥电路满心以为是标准操作5V单电源供电电桥输出接AD620后级接ADC加个增益电阻就完事。结果一上电输出死死顶在3.9V左右任凭我怎么压应变片输出纹丝不动。查了半天发现是REF引脚悬空——AD620在单电源下如果不用REF引脚设置一个参考电位输出会直接推到正轨附近后面全白搭。这类问题在论坛上反复出现根子在于很多人习惯用双电源思维去设计单电源电路。AD620虽然是仪表放大器的经典型号但它的输入共模范围、输出摆幅、参考端行为在单电源下和双电源下完全是两回事。这篇文章就把这些“隐藏限制”一次说透再给出从电桥到ADC的完整链路设计、Multisim仿真步骤、硬件调试经验以及什么情况下该换其他芯片。准备做电池供电仪表、压力传感器采集、称重模块的工程师或者正在用Multisim做课程设计的同学应该都能用得上。1.1 应变片电桥输出的是“毫伏级悬浮差分信号”应变测量的前端绝大多数是惠斯通电桥。单臂工作比如350Ω应变片激励电压VEX等于5V应变系数GF等于2在1000微应变下电阻变化率ΔR/R GF × ε 0.002电桥差动输出近似等于Vd ≈ VEX × (ΔR / 4R) 5 × 0.002 / 4 2.5mV是的满量程只有2.5mV。这个信号有两个特点很要命。第一是幅度太小第二是它“悬浮”在半个激励电压上。对5V激励的单臂桥IN和IN-的共模电压约为2.5V差模信号只有几毫伏。这就对放大器的共模抑制比、输入失调电压、失调漂移提了很高的要求。如果用普通运放搭差分放大电路外部四个电阻稍微不匹配共模电压就会被放大成很大的误差。比如电阻匹配精度0.1%共模2.5V就会产生约2.5mV的等效误差——这几乎等于满量程信号本身。仪表放大器内部用三运放结构前端两个运放只放大差模信号共模信号被单位增益缓冲后级差分放大器再用激光微调电阻做减法所以CMRR能做到80dB以上。这就是为什么应变片电路第一选择通常是仪表放大器而不是普通运放。但AD620在5V单电源下有个绕不开的问题它并非轨到轨器件。应用笔记里给的数据是5V单电源下输出摆幅大约只有0.9V到4.1V输入共模范围也有限。这意味着你不能把输出直接推到0V也不能推到5V。如果后级ADC的量程正好是0到5V中间会有接近1.8V的“不可用”区间。这不是芯片坏了而是架构决定的。1.2 输出摆幅受限为什么信号没满量程就饱和了很多人在单电源下做应变片放大增益电阻取了很大想尽量把微伏级信号放大到满量程。但AD620的输出级是典型的BJT推挽单电源供电时输出晶体管在饱和压降附近会进入非线性区。手册上的Output Voltage Swing通常给出RL10kΩ条件下约大于0.9V、小于VCC-0.9V也就是说5V电源下输出落到0.9V以下或者抬到4.1V以上增益会急剧下降波形出现平顶甚至出现恢复延迟。这个特性在双电源下无所谓正负15V供电输出能摆到±13.8V左右大部分应用根本碰不到边。但单电源5V下可用输出范围只有3.2V。如果你设定了500倍增益输入端稍微有一点偏置输出就顶到4.1V死区里信号根本无法解析。所以单电源设计的第一步不是选增益而是先算输出“可用区间”。后面第2节我会给一个完整的预算过程。1.3 REF引脚单电源下的“第二个电源轨”AD620输出电压的公式是Vout (IN - IN-) × G VREF其中VREF就是REF引脚的电压。双电源下可以直接把REF接地输出以地为基准单电源下你必须把REF接到某个中间电位一般取2.5V或1.65V否则输出会偏向电源轨。另一个常见坑是REF引脚的驱动方式。有些资料说用两个电阻分压就能给REF实际做下来误差很大。因为REF引脚的输入电流虽然不大但仍有µA级别如果分压电阻用10kΩ压降会造成零点偏移而且这个偏移还会随温度变化。我的习惯是分压电阻后面必须接一个运放跟随器或者直接用精密基准源。VREF的噪声会直接以单位增益叠加到输出端。假如VREF上有10mV纹波输出就多10mV纹波这对一个满量程只有几百毫伏的测量链路来说是不可接受的。因此给REF供电的那一路质量要求反而比放大器本人电源引脚更高。2. 从电桥到ADC的链路设计增益、参考和器件选型很多新手拿到应变片就急着搭电路我建议先拿张纸把这笔账算清楚再动手。链路一共四段电桥激励 → AD620放大 → 低通滤波 → ADC采集。每一段的噪声和摆幅预算都要心里有数。2.1 从满量程反推增益一次完整的预算过程假设设计目标测量1000微应变满量程电桥激励5V应变片GF2单臂电桥后级ADC量程0到3.3V希望输出以1.65V为中心左右摆动。算出来电桥满量程差动输出约2.5mV见1.1节。AD620在5V单电源下可用输出区间大致是0.9V到4.1V以2.5V为中心允许摆动±1.6V。但工程上要留余量我通常只用到±1.25V。增益 1.25V / 2.5mV 500AD620增益电阻公式RG 49400 / (G - 1) 单位Ω代入G500RG≈99Ω。实际取标准电阻100Ω增益约495倍满量程输出约1.24V加上VREF 2.5V输出约1.26V到3.74V这个区间落在AD620可用范围内也能满足ADC输入幅度。注意这里有一个隐藏前提VREF必须取自低噪声源。如果你的系统里已经有2.5V基准直接用它做REF同时把电桥激励也接到同一个稳压源上就能构成比例测量电源缓慢漂移会被抑制掉。这个细节我在第4节会展开。2.2 激励方式恒压还是恒流比例测量才是关键应变片电桥通常采用恒压激励简单方便。但恒压激励有个痛点应变片有温度系数环境温度变化时桥臂电阻漂移会形成虚假的零点漂移。讲究一点的场合用恒流激励能部分补偿导线电阻和温度影响。不过对于单电源低成本电路最实用的手段是做“比例测量”。比例测量的意思是ADC的参考电压直接取自电桥激励电压。当激励电压升高电桥输出同步升高ADC参考电压也升高最终读数不变。这样电源噪声和漂移就被抵消掉了。如果后级ADC是独立基准那么激励电源上的任何纹波、温漂都会直接变成测量误差。这一点在反激电源供电时尤其明显后面我有专门一节讲。所以我在设计链路时固定一个原则如果ADC不支持比例参考那就必须用低噪声LDO给电桥激励且AD620的REF也接同一个LDO的输出通过运放缓冲。如果ADC支持外部参考直接把激励电压分压后送入ADC参考输入。2.3 AD620与AD820仪表放大器和普通运放的分工很多人搜“AD820”是因为把AD620和AD820搞混了。这两颗芯片定位完全不同AD620是仪表放大器AD820是单通道JFET输入运放。对比项AD620AD820架构三运放仪表放大器通用运算放大器共模抑制能力高内部微调电阻保证低取决于外部电阻匹配增益设定单个外部电阻至少2到3个外部电阻输入失调电压约50µV约0.4mV且温度漂移大适用场景电桥、传感器差分信号缓冲、滤波、电平搬移、REF驱动单电源能力需要小心共模/摆幅支持单电源输出比较接近轨AD820可以做REF缓冲器也可以做低通滤波器但它不适合直接放大应变片差分信号。原因很简单想要它放大差分信号得用外接电阻搭成差分放大器而外部电阻的匹配决定了共模抑制比。四个1%电阻共模抑制比大概率只有50dB左右2.5V共模电压会产生几个毫伏的误差直接把应变片信号淹没。反过来AD620也有干不了的活比如驱动REF端、做有源低通滤波、输出电压严重接近0V的场合。这两种芯片各有分工别指望一颗通吃。3. Multisim仿真验证参数设置和我在仿真里踩过的几个坑Multisim做这个电路的仿真最大的价值是快速验证增益设置和直流工作点。但它也容易让人产生一种“仿真调通上板必挂”的错觉。我先后用Multisim仿过这个电路不下十次把几个典型翻车点列出来你对照检查能少走弯路。3.1 搭建电桥和AD620仿真模型的参数细节先在元件库找AD620模型。如果版本里有AD620直接放置没有的话我不建议用理想运放硬凑因为理想运放看不到输出摆幅限制仿真结果会过分乐观。我一般用TI或ADI提供的SPICE模型导入Multisim或者干脆用OP07A加四个电阻搭成一个简化仪表放大器模型虽然CMRR和AD620差一些但至少能模拟单电源摆幅问题。电桥用四个电阻搭。以350Ω应变片为例R1R2R3350ΩR4设为350Ω加上不平衡量。为了模拟1000微应变R4取350.7Ω因为ΔR350×0.0020.7Ω对应满量程。电源设置VCC5VVEE接地。放大器的REF引脚接2.5V。这个2.5V怎么来我建议在仿真里用一个理想的DC电源2.5V代替只验证主通路实物再用分压器加运放缓冲实现。因为理想电源没有噪声和输出阻抗不容易掩盖REF驱动问题。增益电阻按第2.1节算的取100Ω。在Multisim里直接用万用表测差分输出或者用探头看波形。此时电桥输出应该约2.5mVAD620输出在2.5V左右加约1.24V的摆幅。3.2 三个容易出错的仿真场景第一个坑REF引脚悬空。Multisim里很多AD620模型REF悬空时输出会直接饱和到接近VCC。这和实物表现一致。解决办法是给REF接一个2.5V源。如果你发现仿真输出一直顶在高电平先检查REF别急着查电桥。第二个坑电源电压设置。Multisim的虚拟运放默认使用±15V电源很多人放置元件后忘了修改导致仿真时放大器工作在双电源状态输出摆幅远大于实物整个设计“看起来”很成功。实物一换5V单电源立刻露馅。所以每次放完芯片第一件事是双击检查电源引脚电压。第三个坑没有加载去耦电容。Multisim里的电源是理想电压源没有内阻所以仿真模型不会自激。但实物电源线有电感运放驱动容性负载时会震荡。我习惯在仿真中同样加上10µF电解电容和0.1µF陶瓷电容分别放在靠近电桥和AD620电源引脚的位置。这样就可以提前发现一些电源环路问题虽然Multisim对这种高频振荡的模拟并不完全真实但加电容后直流工作点分析更接近实物。3.3 仿真结果如何指导实物调试仿真中观察三个关键点一是输出静态工作点是否在2.5V附近二是改变R4模拟应变时输出变化是否接近理论值三是如果输出进入饱和马上能看到波形削顶。如果仿真里就已经出现削顶实物只会更严重。我通常还会在仿真里做一次温度扫描虽然Multisim自带的温度分析不够精确但能让电桥四臂电阻同时按温度系数漂移观察零点变化趋势提前判断是否需要做温度补偿。这比上板后用热风枪对着电路吹要直观多了。4. 硬件实测零点校准、电源噪声和温漂处理仿真通过之后焊板调试又是另一个故事。硬件上最常见的问题排第一的是零点不对排第二的是电源噪声排第三的才是温漂。4.1 单电源系统的零点校准流程我用的流程是这样先把应变片放在不受力状态此时应有物理零点。上电后用万用表测AD620输出通常不是理论上的2.5V而是2.5V上下波动几十毫伏甚至更多。这是由电桥电阻公差、AD620输入失调电压、VREF误差共同造成的。不要急着改硬件。我先用软件做一个“零度校准”采集100次求平均把这个值作为零点偏移后续所有测量值都减去它。这个做法比硬件电位器调零可靠因为硬件调零电位器本身温度系数不稳定而且会随着振动变化。如果必须硬件调零我推荐在电桥的一个臂上并联一个大电阻通过微调并联电阻值来平衡桥臂。比如在R4受力应变片两端并联一个可调电阻阻值建议取几百千欧这样等效改变电阻的百分比极小不会破坏应变片灵敏度。把电位器放在远处的调零盒里也可以但要用三线制接法减小导线电阻影响。4.2 电源噪声怎么串进测量链路电源噪声在单电源系统里是“隐形杀手”。示波器上看VCC纹波可能只有10mV好像不影响但应变片桥输出是比例桥VCC上10mV的波动在满量程2.5mV的信号上就是至少等效几微伏到几十微伏的干扰如果后级再放大495倍轻则输出抖动重则信号被淹没。三个主要的噪声耦合途径要注意第一是AD620电源引脚电源纹波会通过PSRR有限值反映到输出端第二是REF引脚VREF上的纹波直接叠加到输出这个影响最直接第三是电桥激励端激励电压波动直接改变差分信号大小。针对这三个途径我用的方案如下AD620的VCC引脚对地加0.1µF陶瓷电容和10µF钽电容串联一个10Ω到20Ω电阻做RC隔离把高频噪声挡在芯片外面。REF引脚必须从低噪声节点取电通常是从LDO输出经过一个运放缓冲后接进来。如果LDO输出本身纹波已经很小也可以用一个高质量RC滤波后直接给REF但一定要加缓冲。电桥激励从单独的LDO取不给数字电路共用电源。如果实在不能分开至少保证电桥供电经过了π型滤波10µF 10Ω 10µF。4.3 反激供电方案下我习惯加的两道保险搜索这个词的时候看到“单级反激电源设计方案”这也是工业反馈场景里的常见供电方式。反激电源输出纹波大、开关噪声抑制难如果直接把反激输出接到AD620电路上测量性能通常很糟糕。我的做法是反激输出之后一定加两道保险。第一道是LC滤波电感取10µH到100µH电容取22µF以上专门压制开关频率附近的噪声。第二道是低噪声LDO选PSRR在100kHz下不低于60dB的型号把残余纹波压到1mV以下。给电桥激励和AD620的电源必须从LDO之后引出。特别提醒一点反激电源的输出地可能与实验台地之间存在电位差不要想当然地把两个地连在一起。屏蔽层、传感器外壳、电源地的连接要在一点汇合否则会形成地环路混入工频干扰。这个坑在工业现场特别常见。5. 什么时候不该用AD620替代方案和取舍AD620很经典但它未必总是最优解。单电源场景下还有几类替代方案要根据系统供电电压、精度、成本三件事综合判断。5.1 低电压和轨到轨场景如果系统只有3.3V供电AD620的可用输出区间几乎只有1V左右放大量稍微大一点就饱和。这时候我更倾向于用轨到轨输出的仪表放大器比如AD8226、INA122它们专门为低电压单电源设计输出可以更靠近轨REF端也有更多余量。INA122甚至可以直接用单个电阻设定增益引脚和AD620兼容度不高但设计思路类似。这时候AD820反而派上用场它可以作为输出级缓冲把AD620的输出拉到ADC输入范围的中心也可以在ADC前端做二阶低通滤波因为它单位增益稳定JFET输入偏流又低很适合处理高阻抗信号。5.2 更高精度场景如果是长期的应变监测、称重计量这类对精度有硬指标的应用AD620的50µV失调电压和0.6µV/°C漂移就不太够看了。可以考虑AD8221它的失调只有25µV漂移0.3µV/°CCMRR和噪声都更好。代价是价格更高、封装更大。如果系统里已经有数字处理器还可以考虑用24位Σ-Δ ADC配合前端一个低增益仪表放大器把大部分放大任务交给ADC数字域再做滤波和校准。这种方案对模拟前端压力小很多AD620甚至可以用普通运放替代因为ADC的差分输入可以直接接电桥共模抑制由ADC承担。5.3 一个还算实用的折中方案预算有限又不想牺牲太多性能时我会用AD620搭配AD820的组合。AD620负责第一级差分放大增益控制在200倍以内保证输出不碰摆幅边界AD820做第二级有源低通滤波同时提供约2.5倍增益。这样两级加起来总增益可以做到500倍甚至更高每一级的负担都小而且AD820的低频噪声经过RC滤波以后效果比一级放大500倍更干净。这个方案在Multisim里仿真很容易两级各自独立调试也方便先单测第一级输出再测第二级输出哪一级不对单独排查。如果直接一级放大500倍输出一出问题很难判断是电桥、增益电阻还是电源的问题。硬件调试上分级的优势非常明显。最后说说我个人的习惯只要是电池供电的便携应变仪表我会优先考虑中等增益的AD620单级方案配合软件校准成本和体积最均衡如果是固定安装的工业变送器我会更倾向AD8221加反激隔离供电再加软件滤波。方案没有绝对的好坏关键是先算清楚自己的满量程、输出范围、噪声预算这三件事。实际动手时先把REF和电源处理好再谈增益这顺序能帮你少走很多弯路。
