电压跟随器（单位增益缓冲器）与数据采集设备的结合应用
电压跟随器（单位增益缓冲器）与数据采集设备的结合应用
电压跟随器（单位增益缓冲器）在数据采集系统中扮演着重要角色。本文将详细介绍高输出阻抗如何影响测量系统，以及如何使用电压跟随器降低传感器的输出阻抗。这些考量适用于所有用于放大、滤波、多路复用、隔离和测量电子信号的数据采集（DAQ）设备或信号处理硬件。
简介
首先我们需要掌握一些基本概念。
什么是“电压跟随器”（voltage follower）？
电压跟随器提供高输入阻抗以及低输出阻抗，能从一个高输出阻抗的电路，以低输入阻抗将电压转移到另一个电路，同时保持电压不变。可用以消除测量信号中的鬼影（ghosting）与道间串扰（crosstalk）。
什么是“传感器”（transducer）？
传感器是数据采集系统的常见元件，用于将应变（strain）及压力（pressure）等物理现象转换成数据采集设备能够采集的电子信号。常见的传感器包括麦克风、温度计、热电偶与应变规。
如何将传感器、数据采集设备与电压跟随器结合使用？
若要选择一个与数据采集设备同时使用的传感器，则需要考虑传感器的输入输出范围，以及输出电压还是电流。通常传感器与数据采集设备组成的系统都需要信号处理元件，才能从传感器采集信号，并充分利用数据采集设备的灵敏度。不过，构建数据采集系统时，传感器的输出阻抗经常被忽略。因此，我们需要用电压跟随器降低输出阻抗，提升测量系统的精确度，详细配置与范例说明请参阅“以电压跟随器降低源阻抗”一节。
什么是“阻抗”（impedance）？
阻抗是电路输出或输入端的电阻（resistance）、电感（inductance）与电容（capacitance）总和。图 1 示范了数据采集设备的电阻式输出阻抗（resistive output impedance）与电阻式输入阻抗（resistive input impedance）。实际上，电容与电感都存在于数据采集系统中。重要的是，相对于传感器的输出阻抗，数据采集设备的输入阻抗会高许多。一般情况下，数据采集设备的输入阻抗越高，则该设备对信号测量的干扰越低。选择传感器时，输出阻抗越低越好，数据采集设备便能采集到最准确的模拟输入（AI）读数。
图 1: 典型的传感器与数据采集设备模型
高源阻抗（high source impedance）的影响
若电阻式阻抗纳入计算当中，如图 1 所示，传感器的输出阻抗与数据采集设备的输入阻抗构成了一个分压器（voltage divider）。数据采集设备中，可编程增益仪表放大器（Programmable Gain Instrumentation Amplifier, PGIA）的实际输入电压可透过以下分压器方程式计算：
Vinput = Vs * ( Rd / (Rs + Rd) )
举例来说，如果 Rs 与 Rd 相等，可编程增益仪表放大器读取的电压会是传感器输出电压的一半，这结果并非测量系统理想的表现。若 Rd 值极高，而 Rs 值极小，则 Vinput 与 Vs 会几乎相等。测量系统行为是否理想，需考虑到传感器与数据采集设备的电阻式阻抗。当系统包含电感与电容，便会出现相位变化与信号过滤。
以多路复用器于多个通道进行采样，则需要考虑到其他行为。于多个通道采样时，高源阻抗会增加数据采集放大器的整定时间（settling time），进而影响整个数据采集系统。整定时间是指测量信号时，一个信号达到某精确度并留在容差范围所需的时问。从高源阻抗的信号源采样，由于数据采集设备的输入电容，以及一个称为“电荷注入”（charge injection）的现象，整定时间因而提高。当数据采集设备的输入多路复用器切换到一个特定通道，数据采集设备的输入电容必须由源头的输出阻抗充电。若源阻抗特别高，这样的输出阻抗则需时较长。当从多路复用器选择了一个通道，例如模拟输入通道 0，那些电容器便会产生电荷。然后，选择下一个通道（比如模拟输入通道 1）时，累积起来的电荷便回流到前一个通道。若连接通道 1 的信号源有够高的输出阻抗，由于注入的电荷在信号采样时尚未衰减，读数便反映通道 0 的电压趋势。这种行为通称为“鬼影”（ghosting）或“道间串扰”（crosstalk）。另外，多路复用器都含有由切换电容器（switched capacitor）组成的切换器。这些电容器会把少量电荷带到信号，若源阻抗太高，电荷便困在信号源的高输出阻抗与数据采集设备的高输入阻抗中，并不会在进行信号采样时随时间消散。这现象称为电荷注入，是所有固态多路复用器的特性。这时，可在系统中放置电压跟随器，以便解决鬼影与道间串扰的问题。
如你所见，一旦多路复用器切换到一个新通道，数据采集设备的输入电容便会出现两种误差。第一种误差是前一个采样通道的残余电荷（residual charge）。第二种误差是多路复用器把电荷带到信号。要在可编程增益仪表放大器读取准确电压，所有能够构成误差的电荷都必须在信号采样前消散。若信号源的阻抗很低，便能快速消散电荷，容许信号达到准确值才进行采样。
要构建理想的多 AI 通道采样环境，应保持低源阻抗（低于 1 kW）。但是，若高源阻抗阻碍信号于数据采集设备特定的准确范围内稳定下来，便要降低采样率以迎合延长了的整定时间，或于传感器与数据采集设备之间放置电压跟随器（或单位增益缓冲器）以降低源阻抗。
以电压跟随器降低源阻抗
如果没有低输出阻抗的传感器，也无法降低数据采集设备的采样率时，就必需将每个高阻抗源链接到设有运算放大器（op-amp）的电压跟随器，并将单位增益的增益值设为 1，才能与数据采集设备连接。这配置通称为单位增益缓冲，能降低连接至数据采集设备的信号源阻抗。运算放大器需要达 +/- 15V 的电源，而电源应以数据采集设备的模拟输入接地（AIGND）为准。
如图 2 所示，信号的正极引线与运算放大器的正输入端相连。运算放大器的输出端则透过电阻器（Ro）与数据采集设备的正输入端相连。传感器的负极引线取决于输入通道的配置，连接到另一个运算放大器（如图 2 所示）或 AIGND/AISENSE（如图 3 和 4 所示）。当使用浮置差动输入或非参照行输入时，必需于负输入端与 AIGND 中放置一个偏置电阻器，确保信号维持在共模范围（common-mode range）之内，并防止可编程增益仪表放大器饱和。如图 5 所示，负输入端与电源的共模连接之间，放置了一个偏置电阻器（RB）。
图 2: 用于接地差动连接（grounded differential connection）的电压跟随器
图 3: 用于浮置单端连接（floating single-ended connection）的电压跟随器
图 4: 用于接地单端连接（grounded single-ended connection）的电压跟随器
图 5: 用于浮置差动连接（grounded single-ended connection）或非参照行连接（nonreferenced connection）的电压跟随器
选择合适元件
将电压跟随器置入测量系统时，需要选择合适的元件以保持测量精确度与表现。选择运算放大器的考量如下：
- +/- 15V (> 32V 处理) 干净的电源，并参照 AIGND
- 用精准、低噪声与内设场效晶体管（FET）输入的运算放大器，以取得最佳效果
- (建议) RsIB < 1 最小有效位元（LSB）以获得最佳增益
- Rs = 源阻抗
- IB = 运算放大器的偏置电流
- 新电路造成的均方根噪声（RMS noise）应比数据采集设备的均方根噪声低
其中：
en = 运算放大器输入电压的噪声密度（noise density）
in = 运算放大器电流的噪声密度
f = 仪器输入频宽（Hz） - 抵消电压飘移（voltage drift）< 1 LSB/oC
另外还有这些考量： - (非必要) Ro = 50 Ω；连接到电缆等容性负载（capacitive load）时，Ro 必须足够，才能维持运算放大器稳定运作。
- (非必要) 可放置一个电容器到信号源的正极引线与负极引线中，以降低源阻抗构成的电阻噪声。
备注：上述只是建议，并非规则。对运算放大器的要求最终取决于个人的误差范围（error budget）。
使用 OPA2277 的范例系统
当 Burr-Brown OPA2277、NI 6052E 与一个源阻抗为 1MW 的传感器一同使用时，NI 6052E 采集数据时增益为 0.5，提供的输入范围为 -10 至 +10V。使用此配置，1 LSB 等同 305 mV。
我们可以用
来计算增加了的噪声，其中：
新系统的噪声可以上述方程式计算。请注意，若为差动测量，运算放大器的噪声需计算两次：
因放置了电压跟随器而增加了的系统噪声可透过增加节点来抵消，节点的数目为直流量测（DC measurement）时的平均数，取其平均数有助于提升测量的相对精确度。
计算新系统的直流规格：
计算 RsIB：
RsIB = (1 MW)(1 nA) = 1 mV 或 6.41 LSBs
对于此配置，偏置偏移电压超过 6 LSBs。不过，此运算放大器的偏移电压飘移为 0.25 mV/ oC，也代表若系统温度相对地保持不变，直流偏移误差（DC offset error）便能从系统中校准。计算单位增益偏移误差（Unity Gain Offset Error, UGOE）。若为差动测量，谨记将 RsIB 乘以二：
UGOE（V） = Vos + RsIB = 1.025 mV
其中 Vos = 运算放大器输入偏移电压 = 25 mV。
要决定系统的全新绝对精确度，UGOE 必须加上 NI 6052E 的绝对精确度。你可以用绝对精确度决定测量的最大误差。于 +/- 10V 的环境下，NI 6052E 的绝对精确度为 4.747 mV。
全标度的绝对精确度 = 6052E 的绝对精确度 + UGOE = 5.772 mV
取决于个别系统需求，测量系统可能不会接受增加误差。
结论
以高采样率扫描多个通道时，应注意每个通道的信号源阻抗及整定时间。若源阻抗太高，积存在数据采集设备输入电容的电荷便不能再进行信号采样时消散。这样一来，信号看起来会紧跟着上一个通道的信号。在此情况下，必须降低采样率与源阻抗。若采样率不能降低，则可以使用电压跟随器（单位增益缓冲器）来降低信号的源阻抗。将电压跟随器放置到测量系统时，应谨慎决定误差的容许范围，以及选择数据采集设备元件及输入配置的精确度。进行多通道采样时，只要情况许可，应尽量将源阻抗保持在 1 kW 以下。