稳定模拟表头读数的机电阻尼法

在交付动圈表头之前，制造厂用一根连线将表头的端子短路，以产生有效的电磁阻尼，防止运输中发生的外界机械振动和冲击。本设计实例将相同原理用于正常工作条件下的模拟表头。将一只表头连接到有低内阻的电压源，即施加电磁阻尼，使表头的读数更稳定。在移动系统或便携系统应用中增加对外界振动和冲击的防护能力非常重要，尤其是对车载设备。

举例来说，假设您的应用需要测量0~10V 的电源（图 1）。手头有一块满量程额定电压 VFS 为 50 mV，满量程额定电流为 1mA 的典型机电式表头。要得到 10V 的满量程电压范围，就要串联一只电阻 RS。首先，计算出表头的内阻 RCOIL：

然后，计算出增加的电阻值RS，如下：

RS的阻值一般要远大于RCOIL，因此显著地降低了表头运动时的机电阻尼。虽然可以将表头并联一只电容器来增加阻尼，但这种方法也会增加表头的稳定时间。


图2是一种更好的方法，动圈式表头连接到一个运算放大器IC1的输出，嵌入到一个深度负电压反馈的环路中。由于运放有极低的等效输出阻抗，表头端子处于“实际上短路”状态，因而提供有效的机电阻尼作用，使电表读数更稳定，并提高了对振动和冲击的承受能力。在图 2 中，由连接到运放非反相输入端的R1和R2组成的电阻分压计，确定了表头的满量程读数。可以增加RF和CF构成一个优选的高通滤波器，进一步改进表头的稳定时间。晶体管Q1和Q2也是优选的，用途是增加过压保护功能。注意在正常工作情况下，晶体管的正向基极射极电压VBE应数倍于表头满量程电压VFS，后者一般为50mV~100mV。

一支具有满摆幅输出能力、单电源的微功耗运放是这一应用的上佳选择。如果输入电压VIN超过运放的最小电源电压要求，可以将运放的VCC管脚直接连接到输入端，如图 2 中虚线所示。这个电路实际上组合了表头缓冲的优点和传统动圈表头无需外接电源的优点而提高了抗振动和冲击的能力。运放可以选择市场上现有的满摆幅输出微功耗运放，其耗电流要低于普通动圈表头的满量程电流 IFS。例如，Maxim 的 MAX4289 功耗低至 1V 和 9mA，而 MAX4470要求的 最低电压为 1.8V，但只需 750 nA 供电电流。

尽管这个设计实例只局限于直流电压的测量，但也可以对电路作改进，使之适用于交流电压和直流电压测量（图 3）。图中在满摆幅输出运算放大器和电阻器R3、R4与R5基础上（参考文献1），增加了一个无二极管的精密全波整流级。电阻器R1和R2决定了满量程读数值。这个电路需要外接直流电源，以驱动运放IC1和IC2，限压晶体管Q1和Q2是优选的。