高精度弱信号放大电路的设计6-26

高精度弱信号放大电路的设计

尤啟明，周俊，詹康，蔡桢荻，吴继新

（江汉大学物理与信息工程学院，湖北武汉430056）

摘要本文针对电阻应变式电子秤的设计，分析了如何设计高精度弱信号放大电路。从系统的整体性角度，介绍了

电子秤的设计，重点从信号产生、信号分析、信号处理和信号采集等过程，来完整地讲述高精度弱信号放大电路的设计

要领。实验结果表明：在电子秤称重范围内，测量重量小于50g，称重误差小于0.5g；重量在50g及以上，称重误差小

于1g；数据抖动现象不再明显。充分验证了此高精度弱信号放大电路设计方法的可靠性。

关键词弱信号；电子秤；信噪比；放大电路；低通滤波

Design of High Precision and Weak Signal Amplifier

YOU Qiming,ZHOUJun, ZHAN Kang,CAI Zhendi,WUJixin

(School of Physics & Information Engineering, Jianghan University, Wuhan 430056, China) Abstract Aiming at the design of resistance strain gauge electronic scale, this essay will analysis how to design a high precision and weak signal amplifier in detail. It introduces the entire system design of the electronic scale, and stresses on the processes of the signal generation, analyzing, processing and acquiring to present the techniques and skills of the circuit design thoroughly. The results of the experiment show that within the weighing range of the electronic scale, the weighing error is below 0.5g when weighing range is under 50g, while below 1g when above 50g, with no obvious unsteady data. It gives an evidence of the reliability for this high precision and weak signal amplifier.

Key words weak signal; electronic scale;signal-to-noise ratio;amplifier;low-pass filter

1. 引言

随着科技的不断发展,被噪声掩盖的弱信号的检测(如弱光、微振动、弱磁、微电流等)愈来愈受到人们的重视[1]，高精度放大技术也日益重要。那么，如何设计高精度弱信号放大电路，本文从电子秤的制作出发，讲述高精度弱信号放大电路的设计过程。首先将微弱信号进行幅值放大到可检测范围，再进行硬件滤波，通过A/D采样电路进行数模转换，获得离散数字信号，最后通过软件滤波得到最终信号数据。

2.弱信号的形成

在提取弱信号之前，对微弱信号形成原理认识是很有必要的。通常获取微弱信号都是通过传感器，那么传感器的制作好坏，对信噪比大小就起决定性作用。例如应变式电子秤中应变片的粘贴、应变片本身质量、粘贴技术都对后期小信号处理有着直接的关系。

（1）选片：在使用电阻应变片之前，需要选择质量合格的电阻应变片，以平整、清洁、干燥、片内无气泡、锈斑、电阻值在规定范围内为标准。

（2）测点表面的处理：选取测试点，选择物体受力形变最大区域作为待测区，用锉刀或粗砂纸对所选器件测试点进行打磨，除去测试物表面防锈层、电镀层及油污，接着用细砂纸打磨成45°的交叉纹，之后

再将测试点擦理干净。如图2.1图所示。

（3） 贴片：电阻应变片应该准确的粘贴在测试点上，方向必须和应变片形变方向保持一致。在粘贴前，最好对测试间粘贴位置做上标记。如图2.2所示.

①分清电阻应变片的正反面，正面朝上，放在待测标记区，用镊子调整轻轻应变片位置。

②贴合应变片所用胶可选择502，曾使用过其他多种胶，因固化性和柔和性问题，都被舍弃，固化性太强，应变片与固化后胶体融合，应变片无法形变;柔和型太强，应变片与胶体易脱离，应变片也无法形变。粘贴时，左手按住应变片引脚，右手上胶，并垫上BOPP 膜（常见有香烟外包装塑料薄膜），用手沿一个方向滚压，排出应变片与待测物间气泡即好。如图2.3所示。

图2.1 打磨 图2.2 标记 图2.3 粘贴

(4)导线焊接固定:焊接引脚后，为防止紧贴于金属待测物而造成短路，一定要做好绝缘措施，可以套上热缩管。其次，焊接导线时，温度不要太高，时间不要太长，以免烫坏应变片。

3电路设计

3.1应变片桥式等效电路及粘贴位置

4片电阻应变片分别粘贴于悬臂端的两面，构成桥式等效电路，如图3.2所示。 当忽略电源的内阻时，由分压原理得：

4

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12R U=E R R R R R ++骣÷ç÷ç÷D ?ç÷ç

÷

÷

ç桫 满足1423=0R R R R ??时，电桥平衡，但实测过程很难达到这种效果，在此贴片前只要满足14

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R R R R 烦?即可。选择适当材质的悬臂，将应变片按顺序粘贴于悬臂上，粘贴示意图如下图3.3所示。其粘贴原理是为保证悬臂受重物拉力后，发生形变，使得1423R=R R R R D ??增大，更有利于弱信号的增强。

图3.2 桥式等效电路 图3.3 应变片粘贴示意图

3.2放大电路设计

由于电阻应变片受力后电阻值改变比较小，转化的电压小信号△U 较小，易被噪声信号覆盖。为了减少噪声的引入，本次设计选用仪表放大器INA128作为第一级放大电路，其放大倍数为：

G

50 1R

k f W =+