读取小信号电压

如果您使用过输出电压非常低的传感器，例如负载电池或其他惠斯通桥或电流变压器，您就会知道需要一个非常精确的放大器和一个高位数的模拟数字转换器（ADC）来利用它们的测量结果。我的大多数电路板都有非常严格的尺寸限制，因此集成更多组件并不总是理想的解决方案。然而，通过使用具有可编程增益放大器（PGA）的高位数ADC，您可以节省显著的板空间，并且还可以提高一批板之间读数的一致性。

负载电池中的应变计可能具有每伏特仅1mV的满量程输出，如果以5伏特运行，将为满传感器范围提供0-5mV的信号。这使得100kg的负载电池每千克提供50μV的信号，没有显著的放大就无法提供可用数据。即使有128倍的放大，满载时的信号也仅为0.64伏特，这将使您使用3.3伏特8位ADC的分辨率远非理想，大约为2kg。然而，大多数现代ARM控制器都有一个10位或12位的ADC，这将使您在负载电池上的分辨率约为125克。这仍然相当差，因此我们可以考虑使用提供更高位数的外部ADC，以获得满意的分辨率。利用24位ADC和128 V/V放大器，我们的100kg负载电池现在可以读取毫克。这种高分辨率允许进行精确测量，并且对于可能使用满量程范围为多吨的负载电池（例如：起重机，称重桥）或必须处理潜在数千安培的电流传感器（例如：办公楼，工厂）的精密工业应用至关重要。额外的分辨率还允许过滤信号以确保稳定的读数和对读数的高度信心。

可编程增益放大器

具有可编程增益放大器的ADC比同等分辨率的常规ADC稍贵，但在我的项目中证明了额外的费用是非常值得的。更不用说，使用具有精密运算放大器和精密电容器及电阻的ADC的解决方案往往与集成单元的成本相当，因此并没有真正的优势。集成的PGA解决方案还提供了显著减少的板空间，以及从板到板之间更加一致的信号放大。由于增益很容易编程，它还使得切换到不同的传感器选项非常容易，为一系列传感器提供全分辨率支持。

如果您使用的是微控制器的ADC或缺乏集成可编程增益放大器的其他外部ADC，市场上也有独立的PGA可供选择。德州仪器的 PGA281 是一个非常受欢迎的选择，可提供高达128 V/V的差分或单端信号放大。

模拟数字转换器

从上面的例子中，你可以看到，一个好的微控制器中的12位ADC对于小信号电压来说并不够用。如果你使用的是像Arduino中流行的ATmega，你只有一个8位的ADC，这限制更大。因此，需要外部ADC才能以足够的精度读取这样的小电压，以提供可用的数据。

虽然高位数很重要，但它不是唯一重要的因素。处理小电压时，你的ADC需要低漂移，有非常稳定的参考电压，并且有足够的带宽来捕获你的信号。一个不稳定或漂移的ADC即使位数很高也会给你不准确的读数。

我倾向于使用德州仪器的ADS1220来读取电流变压器或应变计，因为它非常稳定且精度极高。它是一个24位的ADC，但是有了内部滤波器，它给你有效的20位可用分辨率。话虽如此，这就是我在我的一个项目中如何连接我的ADS1220的：

电路的实现相当关键。我有一个π滤波器，它在输入端使用了一个铁氧体珠而不是电感，如此处所示，负载细胞的输入端也有一些非常基本的滤波：

这个电路用于测量加拿大奥林匹克队使用的Omega LCM302 2000牛顿负载细胞的数据。当将记录的数据与在顶级田径力量板上记录的相同冲击波进行比较时，ADS1220的数据能够以每秒960个样本的速度更精确地读取短时冲击波，且随着温度变化，结果的信号抖动和漂移更小。

可编程增益放大器和直接从ADC供电的负载细胞使得通过配置更改放大倍数或在检测到过载时轻松切换到满量程更小的负载细胞变得简单。这使得4输入的ADS1220对我的应用来说比它稍微便宜一些的单通道兄弟ADS1246更有吸引力。

市场上还有很多其他选项，其中一些可能更适合你的特定应用，所以为什么不通过浏览ADC类别并在Octopart上搜索‘PGA’来探索一些选项呢。

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