Page 41 - 电力与能源2023年第四期

王昱皓，等：输电导线动态微应变在线检测装置研究 347

压信号提供电压基准，将负信号抬升使得信号的
输出范围在 ADC 采样的量程之内，基准电压芯片
采用 REF2030。钳位电压用来限制输出信号的
边界，防止由于电压信号过大而损坏 ADC。

图 4 充放电管理电路 为了更好地满足设备低功耗的设计要求，在
需要测量的时间段里可由微控制器控制电源芯片
足够的输出功率等特点 ［10］ 。这是由于激励电压源
使能，使电源芯片处于工作状态；而在大量的时间
对于应变信号的输出有很大影响，如果所选激励
段里并不需要采集应变，此时由微控制器关闭电
源不符合要求，即便设备能正常运行，所采集到的
源 芯 片 使 能 。 通 过 这 种 控 制 策 略 ，可 节 省 电 源
应变信号误差也较大。基于此，本文选择使用亚
消耗。
德诺半导体公司的 ADP7142 作为激励源为电桥
2.4 信号调理电路
提 供 激 励 电 压 。 此 芯 片 是 低 压 差 线 性 稳 压 器 ，
当应变片受外力发生变形时，应变片的电阻
还 具 有 高 初 始 精 度（0.8%）、低 噪 声（典 型 值 为
值会产生相应改变，电桥进入不平衡状态，则电桥
11 μV）、低功耗（静态电流典型值为 50 μA）以及
开始输出电压信号。但电桥输出的电压信号为极
低温漂等优点，不仅能满足电桥激励源的使用要
其微弱的双极性电压信号，此信号并不能直接送
求，同时也符合设备低功耗的设计理念。
入 ADC 进行采样。因此，需要设计信号调理电路
除此之外，电源电路部分还包括升压反相电
来对微弱信号进行处理 ［11］ ，以便满足送入 ADC 采
路、±3 V 电路、+1.5 V 基准电压电路和钳位电压
样的要求。
电路，电源电路设计原理如图 5 所示。±3 V 电压
信号调理电路主要由放大电路、滤波电路及
主要是用来给放大电路当中的 PGA 进行双电源
钳位电路等构成，电路原理如图 6 所示。传统的
供电，双电源供电的优势是信号的输入范围以及
仪表放大器电路需要外接增益电阻来控制增益系
输 出 范 围 正 负 完 全 对 称 。 − 3 V 电 压 通 过 芯 片
数，这可能会导致测量系统温漂过大，对测量结果
ADP7182 得到。
的误差有很大影响，同时存在增益系数不能实时

调整的问题。针对上述问题，本文采用程控式仪
表放大器 LTC6915 构成放大电路。LTC6915 是
一款差分输入的零漂移、微功耗、轨到轨输入输出
图 5 电源电路原理 的可编程精准仪表放大器，电压失调低于 10 μV，
为了得到高精度的电源电压并保证电源电路 且温度漂移小于 50 nV·K 。选用此芯片构成放
−1
的稳定供压，本设计中的所有电源电压均由低压 大电路，不需要外接增益电阻来确定增益系数，可
差稳压器（LDO）产生。因此，若想得到+5 V 的 通过一个并行或串行接口将增益设置为 0，1，2，4，

激励电压源，首先需要对输入电压进行升压，满足 8，16，32，64，128，256，512，1 024，2 048，4 096 共
压降要求后再通过 ADP7142 降压得到+5 V 电 14 级放大倍数。本设计选择通过并行接口控制
压。与此同时，若想得到−3 V 电压，在满足以上 LTC6915 的增益系数，即通过微控制器控制 D0，
要求的同时还需要反相电压。面对以上问题，选 D1，D2，D3 引脚的高低电平来选择放大倍数，并
择采用 ADP5071 芯片，它是一种低噪声、高性能 行接口的选择通过 MODE 引脚设置。

的直流稳压器，可产生独立调节的正极和负极轨 当电桥的输出信号经程控仪表放大器调整到
道。因此，使用此芯片既可以对输入电压进行升 合适的范围后，通过 RC 低通滤波器对信号进行
压，也可以对输入电压进行反相。 初步的滤波处理，而后被送入 ADC 进行模数转
基准电压电路用来给信号调理电路输出的电 换。钳位电路的作用是防止进入 ADC 的电压信