Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Wzmacniacz instrumentalny.

zbyh000 24 Lis 2013 00:43 2613 15
  • #1 24 Lis 2013 00:43
    zbyh000
    Poziom 8  

    Witam wszystkich.
    Zacznę od schematu:
    Wzmacniacz instrumentalny.

    Do symulacji użyłem pierwszego lepszego wzmacniacza (rail-to-rail), który znalazłem w bibliotece ltspice.
    W rzeczywistości używam LMC6482.

    Rzecz w tym, że na wyjściu (-> schemat Ui i Uu) zamiast generowanych sygnałów sinusoid mam 0V.

    Symulacja jest wykonana dla 100 kHz i to jest maksymalna częstotliwość jaką będę generował.
    Obserwując pośrednie sygnały na oscyloskopie, wszystko się zgadza (Vgen_out, VR34) jednak układ na wyjściu daje 0V.
    Początkowo myślałem, że może pasmo przenoszenia za małe, ale nota katalogowa LMC6482 podpowiada, że jest to 1.5 MHz.

    Co chcę osiągnąć?
    Układ będzie służył do pomiaru impedancji (Zx), a sygnały Ui i Uu będą dalej przetwarzane przez mikrokontroler w celu jej wyznaczenia.

    Sprawdziłem układ czy nigdzie się nie pomyliłem (płytka stykowa) - nie, nie ma błędu. Co może być nie tak?
    Czy mogłem uszkodzić wzmacniacze?
    Dodam, że rezystory Rw, Rv1 i Rv2 to w rzeczywistości zestaw rezystorów przełączanych przez uC za pomocą przekaźników, służących do dopasowania/wzmocnienia amplitudy sygnału jak najbardziej zbliżonej do 3.3V, by wykorzystać maksymalnie rozdzielczości przetworników A/C.

    Czemu taka konfiguracja?
    Rw - to 10 rezystorów od 1 Ω do 100 MΩ (x1, x10, x100). W taki sposób buduje sobie "wstępnie" wzmocniony sygnał, a wzmacniacz instrumentalny pozwala mi dodatkowo wzmocnić ów sygnał o x1, x2, x5, x10. Wszystko po to, by dopasować się do A/C.

    Za wszelkie rady, wskazówki, będę wdzięczny (muszę przyznać, że noga z analogów ze mnie).

    Z góry dzięki,
    ZD.

    0 15
  • #2 24 Lis 2013 20:23
    kicajbas
    Poziom 25  

    Witam
    Nie jestem pewien, ale problemem chyba jest zasilanie.
    W tego typu układach wejścia nie mogą być zwierane do masy ( dot. U2 i U5) - musi być dzielnik napięcia pomiędzy Vcc a GND i do niego podłączone wejścia.
    Pozdr

    0
  • Pomocny post
    #3 24 Lis 2013 21:28
    jarek_lnx
    Poziom 43  

    Problemem są offsety, sprawdź które wzmacniacze się nasycają.

    Nie wiem po co robić "dolny" wzmacniacz jako różnicowy skoro wzmacnia sygnały niesymetryczne, w "górnym" nie potrzebna była by zmiana zakresów, gdyby mierzył napięcie z wyjścia U2, a różnice mógł byś policzyć cyfrowo.

    Jakby ten wzmacniacz pomiarowy miał mieć dobry CMRR, to taniej wyjdzie kupić gotowy za dwie - trzy dychy, niż składać z pojedynczych wzmacniaczy i drogich rezystorów precyzyjnych.


    Z GBW 1,5MHz przy 100kHz wzmocnienie w otwartej pętli wyniesie 15 więc wzmacniacz zaprojektowany jako "x10" wzmocni ok 6 razy, o przesunięciu fazy nawet nie wspominam, takie GBW jest zdecydowanie za małe.

    LMC6482 (U2) nie da rady "pociągnąć" obciążenia (Zx+Rw) <300Ω więc Rw 1Ω 10Ω i 100Ω na nic się nie przyda.

    0
  • #4 24 Lis 2013 22:50
    1171337
    Użytkownik usunął konto  
  • #5 24 Lis 2013 22:51
    jarek_krakow
    Poziom 16  

    kicajbas ma rację
    Jak chcesz uzyskać przebieg sinusoidalny (wartości dodatnie i ujemne) jeśli zasilasz wzmacniacz napięciem tylko dodatnim ?
    jarek_lnx też ma rację . Wzmacniacz pomiarowy musisz zakupić

    0
  • #6 25 Lis 2013 16:24
    1171337
    Użytkownik usunął konto  
  • #7 25 Lis 2013 16:50
    jarek_lnx
    Poziom 43  

    stefanisko Nie chcę cię krytykować, zrobiłeś symulacje, ale czy wynikają z tego jakieś wnioski? Bo dla mnie nie.

    0
  • #8 25 Lis 2013 17:43
    zbyh000
    Poziom 8  

    Cześć, dzięki za podpowiedzi.
    Może wyjaśnię:

    jarek_krakow napisał:
    kicajbas ma rację
    Jak chcesz uzyskać przebieg sinusoidalny (wartości dodatnie i ujemne) jeśli zasilasz wzmacniacz napięciem tylko dodatnim ?
    jarek_lnx też ma rację . Wzmacniacz pomiarowy musisz zakupić


    Generuję sinusa używając AD9833 (dla celów symulacji wykorzystałem źródło napięciowe generujące mi sinusa od -0.3V do 0.3V dodając do niego offset 0.3V).
    Pozwala mi to osiągnąć przebieg 0-0.6V.
    Dalej wzmacniam ten sygnał do około 3.3Vpp i podaję na Rw i Zx.

    Wydaje mi się, że mogę użyć wzmacniaczy rail-to-rail i zasilać je 0-5V, chyba po to one są, prawda :)?

    Mógłbym oczywiście wykorzystać napięcie -5V do 5V (np. LMC7660), ale to komplikuje mi układ.

    Przy sygnale 100kHz, pierwszy wzmacniacz (0.6Vpp -> 3.3Vpp) wzmacnia sygnał bez problemu (podglądam oscyloskopem).

    "Dolny" wzmacniacz pomiarowy/instrumentalny również działa prawidłowo. Problem jest dla "górnego"...

    Schemat blokowy:
    Wzmacniacz instrumentalny.

    Na podstawie stosunku sygnału sinusoid mogę wyliczyć szukaną impedancję, problem w tym, że nie wiem jak ugryźć w jaki sposób "wyciągnąć" sygnał z Rw.

    Bardzo chętnie przyjmę słowa krytyki i/lub sugestii.

    ps. Cieszę się, że temat wrócił do życia.

    ZD

    0
  • Pomocny post
    #9 25 Lis 2013 23:20
    jarek_lnx
    Poziom 43  

    Cytat:
    Wydaje mi się, że mogę użyć wzmacniaczy rail-to-rail i zasilać je 0-5V, chyba po to one są, prawda Smile?
    Wiesz które wyprowadzenie wzmacniacza pomiarowego określa się jako referencję? jeśli układ ma być zasilany pojedynczo, nie możesz tam podłączyć masy.
    Cytat:
    Mógłbym oczywiście wykorzystać napięcie -5V do 5V (np. LMC7660), ale to komplikuje mi układ.
    Jeśli podasz napięcie prąd zmienny na cewkę o dużej dobroci, to składowa stała zostanie wycięta i pojawią się napięcia poniżej masy - tam powinna być sztuczna masa, na połowie napięcia zasilania. Zrobienie symetrycznego zasilania też nieco uprości.
    Cytat:
    Przy sygnale 100kHz, pierwszy wzmacniacz (0.6Vpp -> 3.3Vpp) wzmacnia sygnał bez problemu (podglądam oscyloskopem).
    Bez obciążenia, albo z małym obciążeniem a co przy 10Ω?

    0
  • #10 26 Lis 2013 20:26
    zbyh000
    Poziom 8  

    Dzięki, dużo wyjaśniłeś.

    jarek_lnx napisał:
    Jeśli podasz napięcie prąd zmienny na cewkę o dużej dobroci, to składowa stała zostanie wycięta i pojawią się napięcia poniżej masy - tam powinna być sztuczna masa, na połowie napięcia zasilania.

    Ale z tego zdania nic nie rozumiem.
    jarek_lnx napisał:
    Bez obciążenia, albo z małym obciążeniem a co przy 10Ω?

    Nie wiem co się dzieje przy 10Ω. Sygnał ten wzmacniany jest bez obciążenia (pewnie w rzeczywistości jest bardzo małe) i to mi wystarcza.
    Dokupię układ (~3zł poświęcę :) ) i zbuduję to wszystko, ale z napięciem symetrycznym -5V...+5V, a masa będzie dla 0V. Przetestuję.

    Co do rezystorów wzorcowych - zmierzę te, które mam do 3-4 miejsca po przecinku i programowo naniosę korektę. Błąd będzie oczywiście dla wyższych f, ale jak j.w. - te f mnie aż tak bardzo "nie bolą".

    jarek_lnx napisał:
    Z GBW 1,5MHz przy 100kHz wzmocnienie w otwartej pętli wyniesie 15 więc wzmacniacz zaprojektowany jako "x10" wzmocni ok 6 razy, o przesunięciu fazy nawet nie wspominam, takie GBW jest zdecydowanie za małe.

    Czy mógłbyś zasugerować lepszy wzmacniacz (wiem, że ich pełno jest) lub wzmacniacz pomiarowy z programowalnym wzmocnieniem?
    Zapewne macie rację, że to lepsze rozwiązanie, ale człowiek się na błędach uczy.

    ZD

    0
  • #11 26 Lis 2013 20:59
    jarek_lnx
    Poziom 43  

    Cytat:
    Nie wiem co się dzieje przy 10Ω. Sygnał ten wzmacniany jest bez obciążenia
    Jak przeciążysz U2 dając za małe Rw i Zx to zadziała ograniczenie prądowe i obetnie przebieg zbliżając go do trapezu - przy obciążeniu rezystancyjnym, przy reaktancyjnym możesz się spodziewać jeszcze innych zniekształceń.

    0
  • #12 07 Gru 2013 18:05
    zbyh000
    Poziom 8  

    jarek_lnx napisał:
    Z GBW 1,5MHz przy 100kHz wzmocnienie w otwartej pętli wyniesie 15 więc wzmacniacz zaprojektowany jako "x10" wzmocni ok 6 razy, o przesunięciu fazy nawet nie wspominam, takie GBW jest zdecydowanie za małe.


    Czemu sądzisz, że takie GBW jest za małe?
    Poniżej charakterystyka dla LMC6482:

    Wzmacniacz instrumentalny.

    Widać, że dla 100kHz jest 20dB, więc wzmocnienie będzie x10.

    jarek_lnx napisał:
    LMC6482 (U2) nie da rady "pociągnąć" obciążenia (Zx+Rw) <300Ω więc Rw 1Ω 10Ω i 100Ω na nic się nie przyda.


    Będę wdzięczny, jeśli napiszesz, gdzie taką informację mogę wyczytać :).

    ZD

    0
  • Pomocny post
    #13 07 Gru 2013 19:11
    jarek_lnx
    Poziom 43  

    Zazwyczaj zakłada się że wzmocnienie WO w otwartej pętli jest bardzo duże, to pozwala przyjąć uproszczenie że wzmocnienie zależy tylko od rezystorów sprzężenia zwrotnego, a zniekształcenia są redukowane do znikomych wartości.

    Kiedy ten warunek nie jest spełniony, nie można używać uproszczonych wzorów na wzmocnienie.

    Cytat:
    Widać, że dla 100kHz jest 20dB, więc wzmocnienie będzie x10.
    Pod warunkiem że wyrzucisz rezystory sprzężenia zwrotnego i pogodzisz się z faktem że wzmocnienie będzie zależeć od temperatury napięcia, częstotliwości i egzemplarza układu scalonego.

    Jeśli dzielnik sprzężenia zwrotnego o współczynniku β=0,1 połączysz ze wzmacniaczem o wzmocnieniu 1000000 wzmocnienie całości wyjdzie 9.99900 (bardzo blisko 10) dla wzmacniacza o wzmocnieniu 1000 będzie 9,901 (niby blisko ale dla układu pomiarowego 1% błędu to sporo)
    Wreszcie jeśli twój wzmacniacz będzie miał wzmocnienie w otwartej pętli 10 (ja zakładałem 15 licząc z GBW) to po zamknięciu pętli wzmocnienie wyjdzie 5.
    50% błędu i kiepskie parametry wzmacniacza dyskwalifikuję układy o tak małym GBW.

    Cytat:
    jarek_lnx napisał:
    LMC6482 (U2) nie da rady "pociągnąć" obciążenia (Zx+Rw) <300Ω więc Rw 1Ω 10Ω i 100Ω na nic się nie przyda.


    Będę wdzięczny, jeśli napiszesz, gdzie taką informację mogę wyczytać :).

    Nigdzie tego nie znajdziesz ;) to wniosek z prawa Ohma, jeśli prąd zwarciowy jest rzędu 10mA to próba wymuszenia 3V na impedancji mniejszej niż 300Ω skończy się zniekształceniem przebiegu (wiem że to nie są dokładne obliczenia ale jakie to ma znaczenie, czy to będzie 50% mniej czy więcej).

    0
  • #14 08 Gru 2013 10:52
    zbyh000
    Poziom 8  

    Tym razem zdecydowanie mnie przekonałeś do zmiany wzmacniacza :).

    Tme w tym przypadku jest mało pomoce (10 wyników dla zapytania 'wzmacniacz pomiarowy'...).

    Znalazłem wzmacniacz pomiarowy AD8422 na farnell'u.

    Nie chcę wtopić kolejnych pieniędzy na układy, które nie będą działać. Czy uważacie, że ten będzie wystarczający? Za dwie sztuki + przesyłkę wyjdzie ~80zł, a to już zakup, nad którym warto się zastanowić.

    Co do 300Ω - kolejne ograniczenie mojego układu - dzięki.

    jarek_lnx napisał:
    w "górnym" nie potrzebna była by zmiana zakresów, gdyby mierzył napięcie z wyjścia U2, a różnice mógł byś policzyć cyfrowo.


    Prawda, mógłbym policzyć cyfrowo. Niestety, potrzebuję wartości tego sygnału równolegle z wartościami z "dolnego" wzmacniacza. Budując tablice dla tych napięć, wrzucam w algorytm do wyznaczenia impedancji - taka idea projektu i muszę się jej trzymać.

    ZD

    0
  • #15 08 Gru 2013 15:04
    jarek_lnx
    Poziom 43  

    Cytat:
    Tme w tym przypadku jest mało pomoce (10 wyników dla zapytania 'wzmacniacz pomiarowy'...).
    Na wynikach wyszukiwania, klasyfikacji układów i parametrach na stronie sklepu nie można polegać, przecież nikt nie zatrudni inżyniera do wprowadzania opisów na stronę, to muszą wpisywać ludzie którzy nie mają o tym pojęcia, dlatego w wynikach wyszukiwania nie znajdziesz żadnych wzmacniaczy pomiarowych Analog Devices, choć można je kupić w tym sklepie i samych AD jest więcej niż 10.
    Cytat:
    Znalazłem wzmacniacz pomiarowy AD8422 na farnell'u.
    Tu jest szersza oferta, ale z nazwami produktów też potrafią namieszać.

    Cytat:
    Nie chcę wtopić kolejnych pieniędzy na układy, które nie będą działać.
    Dlatego układ trzeba przemyśleć przed zlutowaniem, szczególnie sprawę offsetów na której się wyłożyłeś poprzednio, sama wymiana wzmacniaczy na lepsze nie spowoduje że układ nagle zacznie działać. Moim zdaniem Zx nie powinna być podłączona drugim końcem do masy ale do masy sztucznej na połowie zakresu przetwornika, tak samo we wzmacniaczach różnicowych rezystory połączone z masą powinny być połączone do sztucznej masy, wtedy zadziałał by i ten układ co był, z powodu że jakość tej sztucznej masy będzie wpływać na działanie układu, a jej obciążenie też będzie nie małe, rozważył rozdzielenie sztucznej masy na dwie (dla Zx i dla wzmacniaczy) albo przejście na zasilanie symetryczne. AD8422 ma wyjście rail to rail i odpowiednie pasmo, gorzej z zakresem napięć wejściowych.

    Cytat:
    Co do 300Ω - kolejne ograniczenie mojego układu - dzięki.
    Ale do obejścia jeśli dasz dodatkowy rezystor szeregowo z Rw i Zx albo zmniejszysz napięcie, tak żeby nie przeciążyć wzmacniacza, będziesz mógł mierzyć i miliomy tylko że poziom sygnału będzie niższy, można też wymienić wzmacniacz na taki o wyższej wydajności prądowej.
    Choć najlepiej, żeby program przed policzeniem impedancji, sprawdził czy przebiegi nie są zniekształcone.

    0
  • #16 08 Gru 2013 20:17
    zbyh000
    Poziom 8  

    jarek_lnx napisał:
    Ale do obejścia jeśli dasz dodatkowy rezystor szeregowo z Rw i Zx albo zmniejszysz napięcie, tak żeby nie przeciążyć wzmacniacza, będziesz mógł mierzyć i miliomy tylko że poziom sygnału będzie niższy, można też wymienić wzmacniacz na taki o wyższej wydajności prądowej.
    Choć najlepiej, żeby program przed policzeniem impedancji, sprawdził czy przebiegi nie są zniekształcone.


    Tak, to prawda. Chwile po tym, jak wysłałem post to samo przyszło mi na myśl :).

    jarek_lnx napisał:
    Dlatego układ trzeba przemyśleć przed zlutowaniem, szczególnie sprawę offsetów na której się wyłożyłeś poprzednio, sama wymiana wzmacniaczy na lepsze nie spowoduje że układ nagle zacznie działać. Moim zdaniem Zx nie powinna być podłączona drugim końcem do masy ale do masy sztucznej na połowie zakresu przetwornika, tak samo we wzmacniaczach różnicowych rezystory połączone z masą powinny być połączone do sztucznej masy, wtedy zadziałał by i ten układ co był, z powodu że jakość tej sztucznej masy będzie wpływać na działanie układu, a jej obciążenie też będzie nie małe, rozważył rozdzielenie sztucznej masy na dwie (dla Zx i dla wzmacniaczy) albo przejście na zasilanie symetryczne. AD8422 ma wyjście rail to rail i odpowiednie pasmo, gorzej z zakresem napięć wejściowych.


    Może przedstawię moje rozwiązania po "korektach":

    Wzmacniacz instrumentalny.

    Do symulacji użyłem dostępnego w ltspice'sie LT1884, który jest substytutem wykorzystywanego przeze mnie LMC6482.
    Dodałem symetryczne zasilanie. Utworzenie punktu 'wirtualneGND' poprawiło pracę układu, jednak generowane sygnały "uciekają" poniżej zera (minimum sinusoid pojawia się w -60mV).

    Przebudowałem schemat i zamiast konfiguracji nieodwracającej, wzmacniacze połączyłem w konfiguracji odwracającej:

    Wzmacniacz instrumentalny.

    U1 wzmacnia sygnał z generatora odwracając jednocześnie fazę sygnału (z 0...0.6Vpp na -3V...0V). U2 znów odwraca sygnał (mam 0V...3V). Dzięki zastosowaniu U4 dodaję do sygnału offset i znika problem z obcinaniem minimów badanych sygnałów.
    300Ω w szeregu z Rw i Zx zwiększa możliwości badanych impedancji.
    Dla 100kHz pojawiają się zniekształcenia, ale dla 50kHz jest ok (przynajmniej dla symulacji) - to mi wystarczy.

    Pytanie: w drugim rozwiązaniu nie przekombinowałem?
    Zx jest podłączone do masy w obu rozwiązaniach, jednak teraz WO są zasilane symetrycznie -5V...5V = poprawa zachowania się układu.

    Dziękuję za rady :).

    ZD

    ---------------------------
    edit.
    Rozwiązałem swój problem :).
    Polecam lekturę:
    "Wzmacniacze operacyjne i pomiarowe. Przewodnik projektanta."
    Autorów: Charles Kitchin i Lew Counts

    0