Инструментальный усилитель на ОУ. Принцип работы

Главная » Справочник » Инструментальный усилитель на ОУ. Принцип работы

Есть изобретения, которые гениальны в своей простоте. Инструментальный усилитель является одним из них. Он работает также как и дифференциальный усилитель, но свободен от его недостатков, сохраняя при этом простоту схемы.

Название инструментальный усилитель происходит от английского Instrumentation Amplifier. В отечественной литературе его также именуют измерительный усилитель.

Инструментальный усилитель широко используются в различных измерительных устройствах из-за нескольких очень полезных свойств, которых другие усилители не имеют.

Самым большим плюсом является возможность регулировки усиления при помощи всего одного резистора! Просто используя один обычный потенциометр (желательно с логарифмической характеристикой), можно быстро изменять коэффициент усиления в зависимости от потребности.

Кроме того, инструментальные усилители легко «скрещиваются» с цифровыми системами, давая поразительные возможности.

Примером такого симбиоза аналоговой и цифровой техники являются усилители с программно регулируемым коэффициентом усиления.  Существуют интегрированные инструментальные усилители с интерфейсом I2C или SPI, которые можно легко комбинировать с любым микроконтроллером.

Идя дальше по этому пути, мы можем построить инструментальный прибор, который будет автоматически изменять усиление и диапазоны, чтобы всегда иметь наилучшее разрешение при измерении.

Еще одним преимуществом инструментального усилителя является его высокое входное сопротивление, так как сигналы мы подаем прямо на входы микросхем, не обременяя их дополнительными резисторами. Данный вид усилителя также имеет очень хороший коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR), то есть хорошо подавляет общий сигнал, усиливая только разницу между входными сигналами.

Давайте посмотрим схему инструментального усилителя. Состоит она из трех операционных усилителей и семи резисторов.

Потенциометр RP регулирует усиление. Чем больше его сопротивление, тем усиление меньше. Если из схемы убрать этот резистор, оставив разрыв в цепи, то усиление составит 1 (тогда входные усилители станут обычными повторителями напряжения), а работа системы будет ограничиваться только вычитанием входных сигналов.

Как это работает? Обратите внимание, что резисторы R1-RP-R1 образуют делитель напряжения. Что мы можем сказать об этом и что мы можем считать само собой разумеющимся?

Начнем с напоминания себе первого фундаментального правила, которое уже неоднократно цитировалось при обсуждении других схем на операционных усилителях:

Инвертор 12 В/ 220 В

Инвертор с чистой синусоидой, может обеспечивать питание переменно…

Подробнее

 Правило №1 — операционный усилитель оказывает воздействие своим выходом на вход через ООС (отрицательная обратная связь), в результате чего напряжения на обоих входах, как на инвертирующем (-), так и на неинвертирующем (+) выравнивается.

Таким образом, если напряжения на входах равны, то напряжение на одной ножке RP равно напряжению U1, а на второй равно U2. Посчитав разницу напряжений U1 и U2 мы узнаем, какое падение напряжения происходит на резисторе RP.

Далее, из закона Ома вычислим, какой ток течет через него.

Теперь вспомним еще одно правило:

Правило №2 — входы усилителя не потребляют ток

Таким образом, ток, протекающий через RP течет также через оба резистора R1, в результате чего очевидно возникновение напряжения на их ножках, в соответствии с законом Ома.

Выполнив несколько простых вычислений, мы можем узнать выходные напряжения верхнего и нижнего операционного усилителя. А что с правой стороной схемы? Это обычный дифференциальный усилитель.

Мы можем добавить дополнительную регулировку усиления, как и в дифференциальном усилителе, незначительно изменив схему и добавив резисторы R2 и R3. Таким образом, мы получаем дополнительный множитель или делитель, в зависимости от того, что нам нужно.

Хотя на схеме видно три операционных усилителя, на практике инструментальный усилитель не строят из традиционных операционных усилителей и резисторов.

 Существуют готовые микросхемы, у которых все это уже есть внутри, кроме, конечно, переменного резистора RP. Интеграция всех элементов в одном корпусе имеет дополнительное преимущество – монолитный чип является, безусловно, более стабильным в температурном плане. Кроме того, сопротивления резисторов в чипе гораздо точнее обычных резисторов.

И в заключении приведем некоторые модели микросхем инструментального усилителя:

• AD8221 — хорошие параметры за низкую цену
• AD8222 — два инструментальных усилителя в одном корпусе
• AD8226 — с малым потреблением тока
• AD8220 — вход JFET
• AD8228 — хорошая регулировка усиления
• AD8295 — два дополнительных прецизионных операционных усилителя
• AD8429 — низкий уровень шума

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор

Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

Подробнее

Categories Справочник Tags ОУ

Отправить сообщение об ошибке.

В чем разница между операционными усилителями и инструментальными усилителями?

Термин инструментальный усилитель часто используется неправильно, имея в виду скорее приложение, чем архитектуру устройства. Исторически сложилось так, что любой усилитель, который считался прецизионным (т.е. реализовывал какую-либо коррекцию входного смещения), считался «инструментальным усилителем», поскольку он был разработан для использования в измерительных системах. Инструментальные усилители, или INA, связаны с операционными усилителями в том смысле, что они основаны на тех же основных строительных блоках. Но INA — это специализированное устройство, предназначенное для определенной функции, а не фундаментальный строительный блок. В этом отношении инструментальные усилители не являются операционными усилителями, поскольку они предназначены для работы, так сказать, по-другому.

Возможно, наиболее заметным различием между INA и операционным усилителем с точки зрения использования является отсутствие петли обратной связи. Операционные усилители могут быть настроены для выполнения широкого спектра функций, включая инвертирующее усиление, неинвертирующее усиление, повторитель напряжения, интегратор, фильтр нижних частот, фильтр верхних частот и многие другие. Во всех случаях пользователь обеспечивает контур обратной связи от выхода операционного усилителя к входу, и этот контур обратной связи определяет функцию схемы усилителя. Эта гибкость является причиной того, что операционные усилители так широко используются в самых разных приложениях. INA, с другой стороны, имеет эту обратную связь внутри, поэтому нет внешней обратной связи для входных контактов. Для INA конфигурация ограничена одним или двумя внешними резисторами или, возможно, программируемым регистром, чтобы установить коэффициент усиления усилителя.

INA специально разработаны и используются для обеспечения возможности подавления дифференциального усиления и подавления синфазного сигнала. Инструментальный усилитель будет усиливать разницу между инвертирующим и неинвертирующим входами, отклоняя любой сигнал, общий для обоих входов, в результате чего на выходе INA не будет синфазного компонента. Операционный усилитель, настроенный на усиление (инвертирующий или неинвертирующий), будет усиливать входной сигнал на установленный коэффициент усиления с обратной связью, но синфазный сигнал останется на выходе. Разница в усилении между интересующим сигналом и синфазным сигналом приводит к уменьшению синфазного сигнала (в процентах от дифференциального сигнала), но общий режим все еще присутствует на выходе операционного усилителя, что ограничивает динамический диапазон вывода.

Как уже упоминалось, INA используются для извлечения слабого сигнала в присутствии большого синфазного сигнала, но этот синфазный компонент может принимать различные формы. При использовании датчика в конфигурации моста Уитстона (которую мы рассмотрим позже) существует большое постоянное напряжение, которое является общим для обоих входов. Однако сигналы помех могут принимать разные формы; один общий источник — это помехи 50 или 60 Гц от линий электропередач, не говоря уже о гармониках. Этот источник изменяющейся во времени ошибки часто также сильно колеблется по частоте, что чрезвычайно затрудняет компенсацию на выходе инструментального усилителя. Эти отклонения делают важным определение подавления синфазного сигнала не только на постоянном токе, но и в диапазоне частот.

Разностный усилитель

Первый вопрос, который может возникнуть, это: «Можно ли сделать инструментальный усилитель из простых операционных усилителей?» Короткий ответ — да, можете. Но всегда есть компромиссы! Сначала можно подумать о простой схеме разностного усилителя (картинка ниже), иногда называемой вычитателем.

Схема разностного усилителя

Это очень простая схема, которая обеспечивает дифференциальное усиление и имеет некоторое подавление синфазного сигнала, для чего и предназначен INA. Ранее мы упоминали о компромиссах, и в этой схеме есть пара. Прежде всего, давайте посмотрим на входное сопротивление. Это относительно мало, что определяется номиналами резисторов, которые могут быть порядка 100 кОм. Также, входные импедансы не совпадают, что означает, что через каждую ногу будет протекать разный ток, вызывая подавление синфазного сигнала. Другой недостаток этой простой схемы — необходимость согласования резисторов. Подавление синфазного сигнала этой схемы в основном определяется уровнем согласования в парах резисторов, а не самим операционным усилителем. Любое несоответствие в этих парах резисторов уменьшит подавление синфазного сигнала.

Где: Rt = полное рассогласование пар резисторов в дробной форме

Например, предположим, что R1 = R2 = R3 = R4 (обеспечивает единичное усиление), а рассогласование резисторов составляет 1%. Используя приведенное выше уравнение с подставлением чисел, получаем:

CMR = 46 дБ

Как показывает этот пример, производительность, которую можно достичь с помощью этой простой схемы, чрезвычайно ограничена. Даже при согласовании резисторов вручную будет трудно добиться подавления синфазного сигнала более 66 дБ. Кроме того, здесь не учитываются колебания из-за температуры, так как любая разница в температурных коэффициентах между резисторами еще больше увеличит рассогласование и приведет к ухудшению подавления синфазного сигнала. Принимая во внимание все эти факторы и ограничения, монолитный дифференциальный усилитель обычно является лучшим решением для относительно высокопроизводительных приложений.

Обсуждаемая ранее схема дифференциального усилителя технически не является инструментальным усилителем, но полезна для определенных приложений, требующих высокой скорости и / или высоких уровней синфазного напряжения. Для прецизионных приложений зачастую лучшим выбором является настоящий инструментальный усилитель. Для создания инструментального усилителя используются две общие схемы: одна основана на двух усилителях, а другая — на трех. Оба будут подробно рассмотрены. Обратите внимание, что эти базовые схемы могут быть построены с использованием стандартных операционных усилителей, но они также являются базовыми схемными концепциями, используемыми во многих монолитных инструментальных усилителях, предлагаемых сегодня.

Два операционных усилителя INA

Схема инструментального усилителя с двумя операционными усилителями

На картинке выше показана популярная схема инструментального усилителя на основе двух усилителей. В этой схеме общий коэффициент усиления устанавливается с помощью одного резистора, обозначенного ниже как «RG», вот что получается:

Одним из ограничений этой схемной архитектуры является то, что она не поддерживает единичное усиление. Хотя большинство инструментальных усилителей используются для обеспечения усиления (и, следовательно, единичное усиление не критично), в некоторых приложениях инструментальный усилитель используется специально для подавления синфазного сигнала. Таким образом, разумно предположить, что INA может использоваться в конфигурации с единичным усилением для некоторых приложений. Еще одно ограничение INA с двумя операционными усилителями заключается в том, что диапазон синфазного сигнала на входе ограничен, особенно при более низких коэффициентах усиления и при использовании с операционными усилителями с однополярным питанием. Имейте в виду, что усилитель в левой части схемы должен усиливать входной сигнал в неинвертирующем узле на 1+. Таким образом, если общий режим входного сигнала слишком высок, усилитель перейдет в режим насыщения (на выходе закончится запас по уровню).

Одним из ограничений схемы разностного усилителя, был низкий входной импеданс. Как видно на второй картинке, схема INA с двумя операционными усилителями не имеет этой проблемы, поскольку два дифференциальных входных сигнала поступают непосредственно на входные контакты усилителей, которые обычно имеют импедансы в миллионы Ом. Однако из-за разницы в трактах входных сигналов существует разница в задержках между дифференциальными входными сигналами, что приводит к плохому подавлению синфазных сигналов по частоте — критически важной спецификации для инструментальных усилителей. Подобно схеме разностного усилителя, подавление синфазного сигнала на постоянном токе снова ограничивается согласованием соотношений резисторов.

Монолитный INA, основанный на архитектуре с двумя операционными усилителями, по своей природе будет иметь лучшее согласование резисторов и отслеживание температуры по сравнению с дискретным решением, поскольку резисторы на основе кремния могут быть подрезаны для обеспечения согласования порядка 0,01%. Тем не менее, архитектура INA с двумя операционными усилителями имеет некоторые определенные ограничения, которые невозможно преодолеть без изменения архитектуры схемы.

INA

INA с тремя операционными усилителями основана на трех операционных усилителях, как показано на картинке ниже. Можно заметить, что задняя половина этой схемы идентична разностному усилителю, который обсуждался ранее. Добавление двух буферов операционных усилителей на входе схемы обеспечивает источник с высоким и хорошо согласованным импедансом. Это устраняет одну из основных проблем, связанных с простой дифференциальной схемой. Дифференциальный усилитель на конце обеспечивает подавление синфазной составляющей.

Традиционная измерительная схема на 3 ОУ

В этой конфигурации коэффициент усиления схемы устанавливается через значение резистора, обозначенного RG. Если посмотреть на входной каскад, состоящий из двух операционных усилителей, любой синфазный сигнал усиливается только с единичным усилением, независимо от дифференциального усиления (установленного RG) в первых двух усилителях. Следовательно, эта схема может работать в широком диапазоне синфазных сигналов (ограниченном запасом мощности первых двух усилителей), независимо от коэффициента усиления. Это преимущество перед рассмотренными ранее двумя операционными усилителями INA. Затем дифференциальный усилитель удалит все синфазные компоненты. Подобно предыдущим архитектурам, которые обсуждались, эффективность подавления синфазного сигнала зависит от согласования соотношения резисторов, как показано ниже:

Где: Rt = полное несовпадение пар резисторов

Из-за того, что синфазный компонент всегда видит единичное усиление, подавление синфазного сигнала инструментального усилителя с тремя операционными усилителями будет увеличиваться пропорционально величине дифференциального усиления.

На этой принципиальной схеме основаны несколько монолитных инструментальных усилителей. Монолитное решение предлагает очень хорошо согласованные усилители, а возможность использования подстроечных резисторов обеспечивает хорошее подавление синфазного сигнала и точность усиления. В последнее время монолитные инструментальные усилители внесли дополнительные улучшения в эту базовую архитектуру. Например, топологии с токовым режимом устраняют необходимость в прецизионном согласовании резисторов для достижения высокого подавления синфазного сигнала. В любом случае дискретное решение, использующее операционные усилители и дискретные компоненты, обычно будет более дорогостоящим и приведет к снижению производительности.

Технические характеристики INA

Технические характеристики INA и операционного усилителя, как упоминалось ранее, операционные усилители и инструментальные усилители связаны между собой, и, как мы показали, операционные усилители могут использоваться для построения INA. Из-за этого сходства существуют некоторые характеристики, общие как для операционных, так и для инструментальных усилителей. Однако есть также спецификации, которые уникальны для INA из-за специфической функциональности такого устройства. Двумя важными характеристиками для измерительных приложений, которые являются общими для операционных усилителей и INA, являются входной ток смещения и входное напряжение смещения / дрейф напряжения смещения.

Входной ток смещения — это величина тока, протекающего на входах усилителя, необходимого для смещения входных транзисторов. Величина этого тока может варьироваться от мкА до пА и сильно зависит от архитектуры входной схемы усилителя. Этот параметр становится чрезвычайно важным при подключении высокоомного датчика ко входу усилителя. Поскольку ток смещения протекает через этот высокий импеданс, на импедансе происходит падение напряжения, что приводит к ошибке напряжения. Независимо от того, содержит ли схема операционный усилитель или инструментальный усилитель, ток смещения может играть решающую роль в общем бюджете ошибок схемы.

Другой важной характеристикой усилителя, общей для операционных и инструментальных усилителей, является входное напряжение смещения. Как следует из названия, эта спецификация представляет собой разницу напряжений усилителя между инвертирующим и неинвертирующим входами. Это смещение напряжения зависит от топологии усилителя и может варьироваться от микровольт до милливольт. Как и все электрические компоненты, усилители изменяют поведение в зависимости от температуры. Это, безусловно, относится к смещению напряжения усилителя. Смещение напряжения является источником ошибки, и, поскольку смещение дрейфует по температуре, эта ошибка становится коррелированной с температурой. Даже высокоточный усилитель будет подвержен температурному дрейфу.

Из-за специализированного характера инструментальных усилителей существуют дополнительные спецификации, которые обычно не встречаются в технических паспортах стандартных операционных усилителей, включая ошибку усиления и характеристики нелинейности. Ошибка усиления обычно указывается как максимальный процент и представляет собой максимальное отклонение от идеального уравнения усиления для этого конкретного усилителя. Вариации номиналов резисторов и температурные градиенты в цепях резисторов могут вносить свой вклад в погрешность усиления. Спецификация нелинейности также описывает характеристику усиления усилителя. Эта спецификация определяет максимальное отклонение от идеальной прямолинейной передаточной функции при сравнении выхода и входа. Например, если инструментальный усилитель настроен на коэффициент усиления десять, то вход постоянного тока 100 мВ должен давать 1В на выходе. Если на входе принимается до 500 мВ, то на выходе должно быть 5 В. Эти две точки представляют собой прямолинейную передаточную функцию от входа к выходу для усилителя. Любое отклонение от этой прямой отмечается спецификацией нелинейности.

Пример применения: мост Уитстона

Как отмечалось ранее, инструментальные усилители предназначены для обеспечения дифференциального усиления и хорошего подавления синфазных сигналов. Эти характеристики делают INA очень популярными для датчиков (например, тензодатчиков), расположенных в классической конфигурации моста Уитстона. Мост Уитстона для тензодатчика состоит из четырех элементов, расположенных в виде ромба, каждая сторона которого состоит из резистивного элемента (тензодатчика или фиксированного резистора). Затем на мост подается напряжение возбуждения и измеряется выходное напряжение в середине моста. Четверть моста состоит только из одного элемента переменного резистора — тензодатчика. Полумост имеет два элемента с переменным сопротивлением, а полный мост имеет все четыре элемента как элементы с переменным сопротивлением — в данном случае тензодатчики. Преимущество наличия большего количества тензодатчиков — повышение чувствительности. При прочих равных, конфигурация полумоста будет иметь в два раза большую чувствительность, чем четверть моста, а полный мост будет иметь в четыре раза большую чувствительность, чем четверть моста.

Инструментальный усилитель, используемый с мостом Уитстона

В этом примере мост Уитстона возбуждается источником постоянного тока. Предполагая, что VDD установлен на 5 В, это создает общий режим постоянного тока примерно 2,5 В на центральных отводах моста. Сила, приложенная к тензодатчикам, вызовет изменение их соответствующих сопротивлений, создавая небольшой перепад напряжения на центральных ответвлениях. Это изменение напряжения очень мало по сравнению с синфазным напряжением — обычно порядка 10 милливольт — отсюда необходимость усиления этого небольшого дифференциального напряжения. Инструментальный усилитель идеально подходит для этой задачи, не только обеспечивая необходимое усиление, но также подавляя относительно высокий синфазный сигнал (и любой дополнительный шум, который является общим для обоих входных сигналов).

Вывод

В мире системного проектирования термин «инструментарий» может иметь несколько значений. Исторически этот термин использовался для описания приложения, обычно физического явления, которое измеряется или регистрируется. Следовательно, любые операционные усилители, которые были разработаны для использования в таких приложениях, стали известны как «инструментальные усилители». Путаницу усугубляет тот факт, что реальные инструментальные усилители могут быть сконструированы с использованием операционных усилителей.

На самом деле операционные усилители и инструментальные усилители — это очень разные устройства, предназначенные для выполнения разных функций. Инструментальные усилители можно рассматривать как специализированные усилители, специально используемые для обеспечения дифференциального усиления и подавления синфазного сигнала. Как мы видели в этой статье, схемы, реализующие традиционные операционные усилители, могут быть созданы для выполнения тех же функций. Однако в большинстве случаев монолитный инструментальный усилитель обеспечивает существенно более высокий уровень производительности и надежности.

С Уважением, МониторБанк

Инструментальный усилитель — нониус

Усиление выходного сигнала самописца прибора

Инструментальный усилитель

123,00 $ Цена на условиях самовывоза

Инструментальный усилитель можно использовать для подключения широкого спектра измерительного оборудования к интерфейсу Vernier, а также для анализа и электронного хранения и сбора данных. данные.

КОД ЗАКАЗА: ИНА-БТА Категория Датчики

Количество инструментальных усилителей

• Описание
• Характеристики
• Эксперименты
• Требования
• Что включено
• Аксессуары
• Поддерживать

Инструментальный усилитель контролирует напряжения от 20 мВ до 1 В (пост. ток или АС ). Он имеет несколько настроек переключателя, позволяющих выбрать наилучшее усиление, и включает функцию автоматической идентификации для каждого из шести диапазонов. Входная полоса пропускания 10 кГц позволяет захватывать сигналы более высокой частоты. Обычно он используется для усиления самописца или аналогового выхода любого прибора, например газового хроматографа стороннего производителя.

Технические характеристики

• Настройки усиления: 150, 75, 7,5, 15, 3 и 1,5±5%
• Линейность: 1%
• Мощность: 2,5 мА при 5 В постоянного тока
• Частотная характеристика: 0–10 кГц (f3 дБ)
• Полное сопротивление: 1 МОм относительно земли
• Настройки диапазона: 0–20 мВ, 0–200 мВ, 0–1 В, ±20 мВ, ±200 мВ, ±1 В

Experiments

High School (6 experiments)

Experiment	Lab Book
Strain Gage Measurements	Engineering Projects with NI LabVIEW and Vernier
Current from a Changing Field	Physics Explorations and Projects
Faraday’s Law: Moving Magnet	Advanced Physics with Vernier — Beyond Mechanics
Faraday’s Law: Alternating Current	Advanced Physics with Vernier — Beyond Mechanics
Картирование электрического потенциала	Усовершенствованная физика с нониусом — Beyond Mechanics
Факторы, влияющие на электрическое сопротивление	Advanced Physics with Vernier — Beyond Mechanics

College (6 experiments)

Experiment	Lab Book
Strain Gage Measurements	Engineering Projects with NI LabVIEW and Vernier
Ток от меняющегося поля	Физические исследования и проекты
Закон Фарадея: движущийся магнит	Усовершенствованная физика с Vernier — Beyond Mechanics
.
Факторы, влияющие на электрическое сопротивление	Усовершенствованная физика с нониусом — Beyond Mechanics

Требования

Выберите платформу ниже, чтобы просмотреть ее требования совместимости.

LabQuest

Interface	LabQuest App
LabQuest 3	Full support
LabQuest 2 (discontinued)	Full support
LabQuest (discontinued)	Полная поддержка

Компьютеры Quest

	Software
Interface	Graphical Analysis App for Computers	Logger Pro	Logger Lite
LabQuest Mini	Full support	Full support	Full support
LabQuest 3	Полная поддержка	Полная поддержка	Несовместимость
LabQuest 2 (снято с производства)	Full support	Full support	Full support
LabQuest Stream	Full support 1	Full support	Full support 1
Go!Link	Full support	Полная поддержка	Полная поддержка
LabQuest (снято с производства)	Полная поддержка	Полная поддержка	Полная поддержка
LabPro (снято с производства)	Несовместимость	Полная поддержка	Полная поддержка

Примечания о совместимости

Connect LabStream7 via USB.

Беспроводное соединение не поддерживается. Chromebook Mini Полная поддержка 3 LabQuest0071

	Программное обеспечение
Интерфейс	Приложение графического анализа для Chrome
LabQuest 3	Full support
LabQuest 2 (discontinued)	Full support
LabQuest Stream	Full support 1
Go!Link	Full support
LabQuest (снято с производства)	Полная поддержка

Примечания по совместимости

1. Подключение LabQuest Stream через USB. Беспроводное соединение не поддерживается.

iOS

	Software
Interface	Graphical Analysis App for iOS	Graphical Analysis GW for iOS
LabQuest Stream	Full support	Full support
LabQuest 3	Полная поддержка 1	Полная поддержка 1
LabQuest 2 (снято с производства)	Полная поддержка 1	Полная поддержка 1

Примечания по совместимости

1. Устройства iOS и Android ^™ могут подключаться к LabQuest 2 или Data Sharing 3 только через Wireless.

Android30061

	Программное обеспечение
Интерфейс	Приложение для графического анализа для Android	Графический анализ GW для Android
Google Science Journal
LabQuest Stream	Full support	Full support	Incompatible
LabQuest 3	Full support 1	Full support 1	Incompatible
LabQuest 2 (discontinued)	Полная поддержка 1	Полная поддержка 1	Несовместимость

Примечания о совместимости

1. Устройства iOS и Android ^™ могут подключаться к LabQuest 2 или LabQuest 3 только через Wireless Data Sharing.

ArduinoLabVIEW

Примечания по совместимости

1. Этот датчик может считывать только необработанные значения счетчика/напряжения. Вы должны выполнить программирование для преобразования в соответствующие единицы измерения датчика.

Texas Instruments

	Программное обеспечение
Интерфейс	EasyData	DataMate	TI-84 SmartView	DataQuest	TI-Nspire Software
EasyLink	Full support 1	Incompatible	Full support 2	Full support	Full support 2
CBL 2	Полная поддержка 3	Полная поддержка 3 4	Несовместимость	Несовместимость	Несовместимость
LabPro (discontinued)	Full support 3	Full support 3 4	Incompatible	Incompatible	Incompatible
TI-Nspire Lab Cradle (discontinued)	Incompatible	Несовместимый	Несовместимый	Полная поддержка	Полная поддержка

Примечания по совместимости

1. Используйте только с калькуляторами TI-84 Plus.
2. Требуется Easy to Go! адаптер
3. Интерфейсы CBL 2 и LabPro нельзя использовать с калькуляторами TI-84 Plus CE.
4. DataMate нельзя использовать с калькуляторами TI-84 Plus с цветным экраном; используйте EasyData с этими калькуляторами.

Что включено

• Нониусный приборный усилитель

Аксессуары

Поддержка

Ресурсы

• Руководство пользователя
• Часто задаваемые вопросы и советы по устранению неполадок
• Инструкции по подключению датчиков LabQuest

Гарантия

5-летняя ограниченная гарантия
См. нашу гарантийную политику

Только для использования в образовательных целях: Изделия Vernier предназначены для использования в образовательных целях. Они не подходят для промышленного, медицинского или коммерческого применения.

ACCEPTRejectЭтот веб-сайт использует файлы cookie для улучшения вашего опыта. Настройки файлов cookie

Эволюция инструментального усилителя

Загрузите эту статью в формате PDF.

В прошлом термин инструментальный усилитель (INA) часто использовался неправильно, имея в виду приложение, а не архитектуру устройства. INA связаны с операционными усилителями в том смысле, что они основаны на той же архитектуре, но INA — это специализированная версия операционного усилителя. INA специально разработаны и используются из-за их высокого дифференциального усиления для усиления сигналов датчиков на уровне микровольт при одновременном подавлении синфазных сигналов с высоким напряжением, которые могут составлять несколько вольт. Это важно, поскольку некоторые датчики производят относительно небольшое изменение напряжения или тока, и это небольшое изменение должно быть точно зафиксировано.

Давайте рассмотрим несколько приложений, которые выигрывают от INA. Например, медицинский инструмент, использующий датчики для юстировки лазерных шаговых двигателей для глазной хирургии по коррекции зрения. Высокая точность имеет решающее значение, и нельзя допустить, чтобы другое оборудование в операционной искажало сигналы датчиков и приводило к неожиданным результатам.

Другой пример — заводской пресс. Эти машины прилагают тысячи фунтов силы, чтобы согнуть металл в формы. Используя датчики, эти машины останавливаются, если обнаруживают человеческую руку. В этом примере очень важно, чтобы электрические помехи от другого заводского оборудования не вызывали помех, которые могли бы привести к неисправности.

В обоих вышеприведенных случаях первый шаг на пути прохождения сигнала датчика — через инструментальный усилитель. Сигналы крошечных датчиков должны точно усиливаться во всех средах. Инструментальные усилители специально разработаны именно для этого — для точного усиления слабых сигналов, что обеспечивает высокую точность усиления в среде с электрическими шумами.

Другие факторы еще больше повышают эффективность INA. Низкое энергопотребление важно для продления срока службы батареи. Низкое рабочее напряжение позволяет использовать батарею в течение большей части кривой разрядки, продлевая срок службы батареи. Широкий диапазон входного напряжения обеспечивает совместимость с большим количеством датчиков. А согласование импеданса на входе способствует бесшовному интерфейсу с датчиками.

Как развивались конструкции INA

В связи с бесконечным числом потребительских, медицинских и промышленных применений, конструкции развивались на протяжении многих лет, чтобы использовать преимущества производительности, предлагаемые INA. Давайте посмотрим на эволюцию конструкций INA, от оригинальных подходов к инструментальным усилителям, доступным сегодня. Рассматривая эти архитектуры и связанные с ними сильные и слабые стороны, в этой статье показаны улучшения производительности, наблюдаемые в современных инструментальных усилителях, а также в реальных приложениях.

Прежде чем углубляться в различные подходы, давайте сначала посмотрим, чего мы пытаемся достичь, используя диаграмму Рисунок 1 .

1. Блок-схема интерфейса датчика к INA.

Выходы датчиков подключены к входам INA, которые усиливают дифференциальное напряжение. Шум возникает из многих источников, как излучаемых, так и кондуктивных. Типичный шум может исходить от импульсных источников питания, двигателей и беспроводных устройств. Такой шум снижается за счет экранирования и правильной компоновки печатных плат; тем не менее, некоторый шум будет проходить.

К счастью, большая часть этого шума проявляется в виде синфазного синфазного напряжения (V _CM ), наложенного на дифференциальное входное напряжение датчика (V _DM ), а правильно спроектированные приборы с хорошим синфазным сигналом коэффициент подавления (CMRR) значительно уменьшит это напряжение для поддержания точности усиления. Минимальный CMRR обычно указывается для постоянного тока, в то время как характеристики CMRR для переменного тока задокументированы на кривых производительности.

Дискретный разностный усилитель

Если вы хотите усилить разность напряжений на выходе датчика, подойдет простой разностный усилитель, но он имеет много недостатков. В простой реализации, показанной на рис.

2. Дискретный разностный усилитель.

Разработанный для усиления дифференциальных напряжений, операционный усилитель сам по себе обеспечивает хороший CMRR, но он подавляется окружающей его схемой. Любое несоответствие во внешних резисторах (включая несоответствие, вызванное какой-либо сетью делителей, подключенной к V _REF ) ограничивает способность операционного усилителя подавлять синфазные сигналы, что приводит к снижению CMRR. Допуски резисторов просто недостаточно жесткие для поддержания хорошего КОСС, которого можно было бы ожидать от INA. Мы можем увидеть, насколько несоответствие резисторов влияет на CMRR, используя приведенные ниже уравнения.

В приведенном ниже уравнении используется дифференциальный усилитель с G = 1 В/В, а T _R – допуск резистора:

• Если T _R = 1 %, в наихудшем случае постоянный ток CMRR _DIFF будет равен 34 дБ.
• Если T _R = 0,1 %, наихудший случай постоянного тока CMRR _DIFF будет 54 дБ

, где «K» – чистый допуск соответствия от R ₁ /R ₂ до R ₃ /R ₄ , а K может достигать 4T _R (наихудший случай):

3

Усилитель усиливает дифференциальное напряжение на входе, и коэффициент усиления усилителя равен:

В _ВЫХ = G _* В _ДМ

         = (R ₁ /R ₂ ) _* (V _IN+ − V _IN- ) + V _REF

) включает в себя наложенный шум, и любое синфазное напряжение, которое не подавлено (из-за плохого CMRR), будет усилено, что приведет к искажению выходного сигнала шумом.

Этот простой подход имеет и другие недостатки. Обычно входной импеданс операционного усилителя высок (от МОм до ГОм). Однако из-за пути обратной связи и опорного импеданс снижается и разбалансируется, что нагружает датчик и увеличивает погрешности. Хотя эта схема будет усиливать слабый датчик сигнала, низкая точность усиления в присутствии шума не будет полезна для измерительных целей.

Подход с тремя ИС на операционных усилителях

Это обычный INA, упакованный в единую интегральную схему (ИС) (рис. 3) . Схема разделена на два каскада: входной каскад имеет два инвертирующих буферных усилителя, а выходной каскад представляет собой традиционный дифференциальный усилитель. Внутренние резисторы, используемые в этой конструкции, согласованы с очень жесткими допусками, возможными только для полупроводниковых конструкций с подрезанными резисторами, что приводит к гораздо более высокому CMRR.

3. ИС с тремя операционными усилителями.

Усилители входного каскада также обеспечивают высокое сопротивление, что минимизирует нагрузку на датчики. Резистор, задающий коэффициент усиления (R _G ), позволяет разработчику выбрать любой коэффициент усиления в пределах рабочего диапазона устройства (обычно от 1 В/В до 1000 В/В).

Выходной каскад представляет собой традиционный дифференциальный усилитель. Соотношение внутренних резисторов R2/R1 задает коэффициент усиления внутреннего дифференциального усилителя, который обычно составляет G = 1 В/В для большинства инструментальных усилителей (общий коэффициент усиления определяется усилителем в первом каскаде). Сбалансированные пути прохождения сигнала от входа к выходу обеспечивают превосходный CMRR.

Конструкция проста в реализации, занимает мало места и содержит меньше компонентов, что снижает стоимость системы. Конструкция также совместима с источниками питания из одного источника с использованием контакта V _REF . Однако даже при таком дизайне необходимо учитывать ограничения.

Три INA на операционных усилителях обеспечивают высокий CMRR на постоянном токе за счет согласования встроенных резисторов дифференциального усилителя, но архитектура обратной связи может существенно ухудшить CMRR на переменном токе. Кроме того, паразитные емкости не могут быть полностью согласованы, что приводит к рассогласованиям и уменьшению CMRR по частоте. Диапазон входного синфазного напряжения ограничен, чтобы внутренние узлы не насыщались. В _REF pin требует буферного усилителя для оптимальной работы. Наконец, температурные коэффициенты внешнего и внутреннего резисторов усиления не совпадают, что способствует снижению CMRR.

Математически точность усиления зависит от согласования резисторов:

В _ВЫХ = (G × V _DM ) + В _REF

где:

G = 1 70 F 90 /R _G )](R ₂ /R ₁ )

В _DM = (V _IN+ − V _IN- )

Подход с косвенной обратной связью по току

Подход с косвенной обратной связью по току (ICF) INA использует новый подход к преобразованию напряжения в ток (рис. 4). . Он состоит из двух согласованных усилителей крутизны G _M1 и G _M2 , а также усилителя крутизны с высоким коэффициентом усиления (A3). В конструкции не используются симметричные резисторы, поэтому резисторы с внутренней подстройкой не требуются, что снижает стоимость производства. Еще одним преимуществом является то, что внешние резисторы не обязательно должны соответствовать каким-либо встроенным резисторам. Только Р 9Температурные коэффициенты внешних резисторов 0709 F и R _G должны быть как можно ближе друг к другу для минимального дрейфа усиления.

4. Метод косвенной обратной связи по току.

CMRR постоянного тока высокий, так как усилитель G _M1 подавляет синфазные сигналы. И КОСС переменного тока существенно не уменьшается с увеличением частоты. Было упомянуто, что входной диапазон подхода с тремя операционными усилителями ограничен, чтобы предотвратить внутреннее насыщение узла. В ICF размах выходного напряжения не связан с входным синфазным напряжением, что приводит к расширенному рабочему диапазону, невозможному в архитектуре с тремя операционными усилителями.

Второй каскад (G _M2 и A3) дифференциально усиливает сигнал и дополнительно подавляет синфазный шум на V _FG и V _REF . Работа с однополярным питанием все еще может использоваться при подаче смещения на V _REF .

Усиление ICF INA составляет:

V _OUT = (G × V _DM ) + V _REF

Где:

V _DM -дифференциал-ход Voltage:

V _{9.099.099. DM} -дифференциальный клет. = (В _В+ − V _IN- )

        = (V _FG − V _REF )

На рис. 5 показано несколько типичных приложений для INA. Показаны различные датчики, которые точно усиливаются INA, питающим преобразователь и микроконтроллер.

5. Показаны примеры типичной схемы, использующей INA с датчиком.

Заключение

Потребность в усилении слабых сигналов в присутствии шума с течением времени эволюционировала.