Wzmacniacze instrumentalne (lub wzmacniacze pomiarowe) często stosowane są do wzmacniania sygnałów elektrycznych generowanych przez różnego rodzaju sensory analogowe. Umożliwia to digitalizację tych sygnałów, ich przetwarzanie bądź wykorzystanie w układach kontrolno-pomiarowych. Zazwyczaj sygnał pochodzący z sensora jest bardzo mały, zatem wzmacniacz pomiarowy który z nim współpracuje musi pracować z wysokim wzmocnieniem. Co więcej, bardzo często zdarza się iż sygnał pochodzący z sensora charakteryzuje się dużą składową współbieżną lub offsetem stałoprądowym. Precyzyjne wzmacniacze pomiarowe, używane w nowoczesnych układach są w stanie zapewnić wysokie wzmocnienie, co pozwala na selektywne wzmocnienie sygnału różnicowego, pochodzącego z sensora przy jednoczesnym odfiltrowaniu sygnału współbieżnego współwystępującego na tym wyjściu wraz z użytecznym sygnałem.
Mostek Wheatstona jest dobrym przykładem takiej sytuacji, jednakże nie jedynym, gdyż na przykład komórki galwaniczne służące jako elementy pomiarowe w biosensorach charakteryzują się podobnymi cechami. Wyjście sygnału z mostka pomiarowego jest różnicowe, zatem wzmacniacz instrumentalny jest preferowanym rozwiązaniem, które umożliwia osiągnięcie wysokiej jakości pomiaru. W idealnym przypadku sygnał różnicowy z nieobciążonego mostka wynosi zero, jednakże jest to prawdziwe tylko w przypadku w którym wszystkie cztery oporności, wykorzystane do konstrukcji mostka, są takie same. Rozważmy mostek pomiarowy skonstruowany z czterech dyskretnych oporników, tak jak pokazane jest to na poniższym schemacie.
W najgorszym przypadku różnicowy offset Vos, występujący na wyjściu układu wynosi:
Gdzie Vex to napięcie zasilające mostek pomiarowy a TOL to tolerancja oporników wykorzystanych do konstrukcji mostka, wyrażona w procentach.
Na przykład, w sytuacji gdy do konstrukcji mostka wykorzystamy oporniki o tolerancji 0,1% i zasilimy go napięciem 5 V offset różnicowy powstały w takim układzie może wynieść do 5 mV. Jeśli do wzmocnienia sygnału użytecznego do zadanego poziomu potrzebne jest wzmocnienie wynoszące 400 V/V to offset urasta aż do ±2 V na wyjściu wzmacniacza pomiarowego. Zakładając iż opisywany wzmacniacz instrumentalny zasilany jest takim samym napięciem jak mostek pomiarowy to nawet jeżeli ukłąd wyposażony jest w wyjście rail-to-rail to sam offset jest w stanie 'skonsumować' 80% dynamiki sygnału. W przypadku systemów zasilanych mniejszym napięciem niż 5 V, które zyskują coraz większą popularność w przemyśle, problem ten staje się nawet bardziej znaczący.
Tradycyjny wzmacniacz instrumentalny składa się z trzech wzmacniaczy operacyjnych, połączonych w sposób pokazany na poniższym schemacie. Układ taki składa się z stopnia różnicowego, za którym znajduje się układ odejmujący od wyjścia stopnia różnicowego napięcie współbieżne.
Sygnał wzmacniany jest na pierwszym, różnicowym stopniu układu, zatem offset wzmacniany jest tyle samo razy co sygnał użyteczny. Jedynym sposobem na usunięcie offsetu jest podłączenie odwrotnego napięcia niż offset sygnału do wejścia odniesienia (pin opisany REF) wzmacniacza instrumentalnego. Podstawowym ograniczeniem tej metody redukcji offsetu jest fakt iż nie będzie ona funkcjonowała jeśli pierwszy stopień zostanie przesterowany. Istnieje kilka sposobów umożliwiających obejście tego ograniczenia:
* Bocznikowanie mostka z wykorzystaniem zewnętrznych oporników. Jest to dosyć niepraktyczne rozwiązanie w przypadku zautomatyzowanej produkcji projektowanego układu gdyż wymaga każdorazowej kalibracji i wyklucza późniejszą regulację poziomu offsetu.
* Redukcja wzmocnienia pierwszego, różnicowego stopnia wzmacniacza instrumentalnego i następnie usunięcie offsetu. W tym przypadku za wzmacniaczem instrumentalnym znaleźć się musi kolejny stopień wzmacniający, który pozwoli wzmocnić sygnał do pożądanej amplitudy.
* Zmniejszenie wzmocnienia stopnia różnicowego wzmacniacz pomiarowego i digitalizowanie sygnału wyjściowego wysokorozdzielczym przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC). Offset zostaje odjęty od sygnału programowo.
Podczas aplikacji jednego z dwóch ostatnich wymienionych rozwiązań pamiętać należy nie tylko o samej wartości offsetu ale także o możliwym największym jego odchyleniu od wyznaczonej wartości. Podczas projektowania systemu pamiętać należy aby zmniejszyć wzmocnienie pierwszego stopnia wzmacniacza instrumentalnego do tego stopnia w którym nawet przy największym możliwym odchyleniu offsetu nie spowoduje niepoprawnej pracy urządzenia. Te rozwiązania są dalekie od ideału gdyż zwiększają zużycie mocy w systemie, rozmiar zajmowany na płytce drukowanej oraz koszt aplikacji układu. Pamiętać także należy iż stosowanie tych rozwiązań może odbić się niekorzystnie na poziome szumów w systemie lub też poziomie odrzucenia sygnału współbieżnego wzmacniacza instrumentalnego (CMRR). Co więcej pamiętać należy iż nie można tutaj zastosować najprostszego - teoretycznie - rozwiązania czyli odfiltrowania składowej stałej, gdyż uniemożliwiłoby to pomiary wolnozmiennych lub wręcz stałych wartości.
Wzmacniacze instrumentalne z pośrednim sprzężeniem prądowym (ICF, ang. [i]Indirect Current Feedback[i]) takie jak układy AD8237 lub AD8420 firmy Analog Devices, umożliwiają usunięcie z sygnału mierzonego offsetu zanim zostanie on wzmocniony na którymkolwiek stopniu wzmacniacza. Poniższy schemat pokazuje architekturę wzmacniacza ICF.
Funkcja przejścia wzmacniacza instrumentalnego z pośrednim sprzężeniem prądowym przyjmuje taką samą postać jak dla wzmacniacza opartego o trzy op-ampy i przyjmuje następującą postać:
Jako że pętla sprzężenia zwrotnego wzmacniacza wymusza aby napięcie pomiędzy wejściami było takie same jak napięcie pomiędzy pinem sprzężenia zwrotnego (FB) a pinem odniesienia (REF) równanie drugie możemy przepisać do postaci:
Równość ta sugeruje nam iż wprowadzenie napięcia równego napięciu offsetu pomiędzy pin pętli sprzężenia zwrotnego a pin referencyjny umożliwi adjustację wyjścia do zera woltów nawet w obecności dużego offsetu na wejściu. Jak pokazano na poniższym schemacie regulację taką można realizować poprzez wstrzykiwanie niewielkiego prądu w pętlę sprzężenia zwrotnego poprzez opornik RA. Do tego celu wykorzystane zostało proste źródło napięciowe, jakim może być przetwornik cyforowo-analogowy (DAC) lub odpowiednio odfiltrowany sygnał PWM wygenerowany przez na przykład mikrokontroler.
Projektowanie układu
Z równania trzeciego wiemy iż stosunek R1 do R2 wyznacza wzmocnienie układu, zgodnie z następującą zależnością:
Projektant systemu musi precyzyjnie dobrać wartości oporników. Oporniki o większej wartości rezystancji pozwalają na zmniejszenie zużycia mocy i zmniejszają obciążenie prądowe wyjścia wzmacniacza pomiarowego. Z kolei mniejsze wartości rezystancji ograniczają wejściowy prąd polaryzacji wejścia pętli sprzężenia zwrotnego FB i błędy wynikające z niedopasowania impedancji. Jeśli równolegle połączone z sobą oporniki R1 i R2 charakteryzują się wartością oporu powyżej 30 kΩ, mają także zauważalny wpływ na zwiększenie poziomu szumów w układzie. Poniższa tabela prezentuje proponowane wartości oporników do zastosowania w systemie.
W celu ułatwienia procesu wyznaczania wartości RA załóżmy pracę z symetrycznym zasilaniem i pinem odniesienia (REF) na potencjale masy. Napięcie VA jest znane i może przyjmować wartości tak ujemne jak i dodatnie. W takiej sytuacji napięcie wyjściowe opisać można następującym wzorem:
Warto zwrócić uwagę iż wzmocnienie od napięcia VA do wyjścia jest ujemne, przez co zależność jest odwrotna. Zwiększając napięcie VA zmniejszamy napięcie wyjściowe z wzmacniacza o napięcie z dzielnika złożonego z oporników R2 i RA. Ten stosunek umożliwia maksymalizację zakresu regulacji napięcia korekcji offsetu wejściowego. Ponieważ zakres ten jest liczony względem napięcia na wejściu układu precyzyjna regulacja korekcji możliwa jest nawet z źródłem napięcia o niskiej rozdzielczości. Jako że typowo RA jest dużo większe niż R1 równanie piąte można uprościć i zapisać w następującej postaci:
Aby wyznaczyć maksymalną wartość rezystancji opornika RA umożliwiającą maksymalizację zakresu regulacji korekcji offsetu wejściowego VIN(MAX) dla założonego zakresu napięć VA(MAX) kładziemy VOUT = 0 i rozwiązujemy równanie pozwalające wyznaczyć RA w następujący sposób:
Gdzie VIN(MAX) jest maksymalnym napięciem offsetu wejściowego które zakładamy iż może pochodzić z sensora. Z bliższej analizy równania piątego wynika także fakt iż wstrzykiwanie prądu do pętli sprzężenia zwrotnego modyfikuje wzmocnienie układu. Pomimo tego iż wpływ tego prądu na wzmocnienie jest niewielki możemy je przeliczyć do postaci:
Generalnie, w aplikacji z niesymetrycznym zasilaniem systemu kondycjonowania wyjścia z mostka pomiarowego, napięcie na pinie odniesienia (REF) powinno być powyżej masy systemu. Jest to szczególnie prawdziwe jeśli napięcie wyjściowe z mostka pomiarowego może przyjmować wartości ujemne i dodanie. Jeśli jako napięcie odniesienia podawane jest pewne napięcie VREF z źródła charakteryzującego się niską impedancją wyjściową, takiego jak dzielnik oporowy i bufor, tak jak pokazano to na poniższej ilustracji, równanie piąte przyjmuje postać:
Takie same rezultaty otrzymamy jeśli napięcie VOUT i VA liczone będą względem napięcia VREF w równaniu piątym. VA(MAX) - VREF powinno także zastąpić wyrażenie VA(MAX) w równaniu siódmym.
Przykładowy projekt systemu
Rozważmy zasilany napięciem niesymetrycznym mostek pomiarowy, taki jak jeden z pokazanych powyżej. W przykładzie tym napięcie zasilające wzmacniacz pomiarowy i pobudzające mostek wynosi 3,3 V. Pełny zakres wyjściowy mostjka pomiarowego w tym przykładzie wynosi ±15 mV, dodatkowo występuje offset wyjścia mostka wynoszący do ±25 mV. Aby układ charakteryzował się założoną czułością wzmocnienie układu musi wynosić 100 V/V. Zakres napięć wejściowych użytego w projekcie przetwornika ADC wynosi od 0 V do 3,3 V. Jako że napięcie wyjściowe z mostka może przyjmować wartości tak ujemne jak i dodanie jako napięcie odniesienia dla wzmacniacza instrumentalnego użyto napięcia o wartości 1,65 V, czyli połowie napięcia zasilającego. Z uwagi na występujący w systemie offset przy wzmocnieniu założonym w tym przykładzie sam wzmocniony sygnał offsetu w tym układzie na wyjściu przyjąć może wartości od -0,85 V do 4,15 V, znacznie przekraczając zakres napięć wejściowych przetwornika analogowo-cyfrowego czy nawet napięcie zasilające układ.
Problem ten rozwiążemy wykorzystując układ na schemacie pokazanym powyżej. Wzmacniacz pomiarowy A1 jest wzmacniaczem z pośrednim sprzężeniem prądowym, na przykład AD8237 firmy Analog Devices. Wzmacniacz A2, razem z opornikami R4 i R5 koryguje napięcie wyjściowe pod kątem offsetu tak iż wyjście wzmacniacza A1 dla zerowego wejścia znajduje się w połowie zakresu. Ośmiobitowy przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) AD5601 użyty jest do korekcji offsetu mostka poprzez opornik RA. Napięcie wyjściowe z opisywanego układu digitalizowane jest z wykorzystaniem przetwornika ADC o rozdzielczości 12 bitów (AD7091).
Z tabeli pokazanej powyżej odczytujemy iż dla wzmocnienia najbliższego założonemu oporniki R1 i R2 powinny charakteryzować się wartością rezystancji odpowiednio 1 i 100 kΩ. W rezultacie wzmocnienie wyniesie 101 V/V. Zawarty w układzie przetwornik DAC może generować napięcie od 0 V do 3,3 V czyli ±1,65 V, jeśli odniesie się je nie do masy a do napięcia odniesienia wzmacniacza pomiarowego równego połowie napięcia zasilania. Aby obliczyć wartość opornika RA korzystamy z równania szóstego. Zakładamy VA(MAX) = 1.65 V i VIN(MAX) = 0,025 V, co daje nam 65,347 kΩ. Przy zastosowaniu oporników z szeregu tolerancji 1% najbliższa wartość do 64,9 kΩ. Taka wartość opornika w układzie korekcji offsetu nie zostawia żadnego marginesu na błędy spowodowane precyzją źródła, wariacje wartości w funkcji temperatury i tym podobne. W związku z tym wykorzystamy jako RA opornik o rezystancji równej 49,9 kΩ. Jest to bardzo często spotykana wartość, co oznacza iż opornik ten jest łatwo dostępny u dostawców elementów elektronicznych. Wybranie mniejszej wartości RA wiąże się z zmniejszeniem rozdzielczości korekcji offsetu, co oznacza iż efektywny offset wyjściowy naszego układu będzie trochę większy.
Z równania siódmego wyznaczyć możemy efektywne wzmocnienie w takim układzie, które wyniesie 103 V/V. Jeśli projektant życzy sobie utrzymać je na poziomie bliższym założonemu 100 V/V możemy zmniejszyć R2 o około 3% do wartości 97,6 kΩ, co nie będzie miało znacznego wpływu na wartość opornika RA. W tych warunkach wzmocnienie całego układu wyniesie 100,6 V/V.
Z uwagi na zakres napięć wyjściowych z przetwornika DAC zakres regulacji offsetu zależny jest od dzielnika napięć złożonego z opornika RA i równolegle połączonych oporników R1 i R2. Możemy go wyznaczyć w następujący sposób:
Zakres regulacji offsetu ±32.1 mV przy założonym offsecie mostka ±25 mV zapewnia nam 28% marginesu. Przy rozdzielczości przetwornika równej 8 bitów rozdzielczość regulacji offsetu wejściowego wynosi:
Przy kroku regulacji wynoszącym 250 µV maksymalny offset wyjściowy układu wyniesie 12,5 mV.
Wartości R3 i C1 mogą być wyznaczone z wartości sugerowanych w karcie katalogowej przetwornika ADC. Dla układu AD7091, próbkującego z częstotliwością 1 MHz sugeruje się, odpowiednio, 51 Ω i 4,7 nF. Większe wartości mogą być zastosowane przy niższej częstotliwości próbkowania co zaowocuje zmniejszeniem szumów układu w tym tych wynikających z efektów aliasingu podczas digitalizacji.
Dodatkową zaletą proponowanego układu jest fakt iż regulację offsetu możemy przeprowadzać nie tylko podczas produkcji, ale także później. Możliwa jest kalibracja podczas instalacji układu a także implementacja rozwiązań pozwalających na kalibrację offsetu wyjściowego podczas pracy, co pozwala na uwzględnienie efektów wpływu środowiska na sensor, jego histerezy czy długoczasowego dryftu parametrów mostka.
Z uwagi na fakt iż układ AD8237 charakteryzuje się wejściem rail-to-rail najlepiej sprawdza się on w aplikacjach z bardzo niskimi napięciami zasilania. W tradycyjnych systemach przemysłowych, gdzie wymagane jest większe napięcie zasilania, dobrą alternatywą jest układ AD8420. Jest to także wzmacniacz instrumentalny z pośrednim sprzężeniem prądowym. Może być on zasilany napięciem od 2,7 V do 36 V. Poniższa tabela porównuje ich podstawowe cechy, bardziej szczegółowe informacje odnaleźć można w stosownych kartach katalogowych.
Źródła:
http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/48-01/bridge_sensors.html
Mostek Wheatstona jest dobrym przykładem takiej sytuacji, jednakże nie jedynym, gdyż na przykład komórki galwaniczne służące jako elementy pomiarowe w biosensorach charakteryzują się podobnymi cechami. Wyjście sygnału z mostka pomiarowego jest różnicowe, zatem wzmacniacz instrumentalny jest preferowanym rozwiązaniem, które umożliwia osiągnięcie wysokiej jakości pomiaru. W idealnym przypadku sygnał różnicowy z nieobciążonego mostka wynosi zero, jednakże jest to prawdziwe tylko w przypadku w którym wszystkie cztery oporności, wykorzystane do konstrukcji mostka, są takie same. Rozważmy mostek pomiarowy skonstruowany z czterech dyskretnych oporników, tak jak pokazane jest to na poniższym schemacie.
W najgorszym przypadku różnicowy offset Vos, występujący na wyjściu układu wynosi:
Gdzie Vex to napięcie zasilające mostek pomiarowy a TOL to tolerancja oporników wykorzystanych do konstrukcji mostka, wyrażona w procentach.
Na przykład, w sytuacji gdy do konstrukcji mostka wykorzystamy oporniki o tolerancji 0,1% i zasilimy go napięciem 5 V offset różnicowy powstały w takim układzie może wynieść do 5 mV. Jeśli do wzmocnienia sygnału użytecznego do zadanego poziomu potrzebne jest wzmocnienie wynoszące 400 V/V to offset urasta aż do ±2 V na wyjściu wzmacniacza pomiarowego. Zakładając iż opisywany wzmacniacz instrumentalny zasilany jest takim samym napięciem jak mostek pomiarowy to nawet jeżeli ukłąd wyposażony jest w wyjście rail-to-rail to sam offset jest w stanie 'skonsumować' 80% dynamiki sygnału. W przypadku systemów zasilanych mniejszym napięciem niż 5 V, które zyskują coraz większą popularność w przemyśle, problem ten staje się nawet bardziej znaczący.
Tradycyjny wzmacniacz instrumentalny składa się z trzech wzmacniaczy operacyjnych, połączonych w sposób pokazany na poniższym schemacie. Układ taki składa się z stopnia różnicowego, za którym znajduje się układ odejmujący od wyjścia stopnia różnicowego napięcie współbieżne.
Sygnał wzmacniany jest na pierwszym, różnicowym stopniu układu, zatem offset wzmacniany jest tyle samo razy co sygnał użyteczny. Jedynym sposobem na usunięcie offsetu jest podłączenie odwrotnego napięcia niż offset sygnału do wejścia odniesienia (pin opisany REF) wzmacniacza instrumentalnego. Podstawowym ograniczeniem tej metody redukcji offsetu jest fakt iż nie będzie ona funkcjonowała jeśli pierwszy stopień zostanie przesterowany. Istnieje kilka sposobów umożliwiających obejście tego ograniczenia:
* Bocznikowanie mostka z wykorzystaniem zewnętrznych oporników. Jest to dosyć niepraktyczne rozwiązanie w przypadku zautomatyzowanej produkcji projektowanego układu gdyż wymaga każdorazowej kalibracji i wyklucza późniejszą regulację poziomu offsetu.
* Redukcja wzmocnienia pierwszego, różnicowego stopnia wzmacniacza instrumentalnego i następnie usunięcie offsetu. W tym przypadku za wzmacniaczem instrumentalnym znaleźć się musi kolejny stopień wzmacniający, który pozwoli wzmocnić sygnał do pożądanej amplitudy.
* Zmniejszenie wzmocnienia stopnia różnicowego wzmacniacz pomiarowego i digitalizowanie sygnału wyjściowego wysokorozdzielczym przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC). Offset zostaje odjęty od sygnału programowo.
Podczas aplikacji jednego z dwóch ostatnich wymienionych rozwiązań pamiętać należy nie tylko o samej wartości offsetu ale także o możliwym największym jego odchyleniu od wyznaczonej wartości. Podczas projektowania systemu pamiętać należy aby zmniejszyć wzmocnienie pierwszego stopnia wzmacniacza instrumentalnego do tego stopnia w którym nawet przy największym możliwym odchyleniu offsetu nie spowoduje niepoprawnej pracy urządzenia. Te rozwiązania są dalekie od ideału gdyż zwiększają zużycie mocy w systemie, rozmiar zajmowany na płytce drukowanej oraz koszt aplikacji układu. Pamiętać także należy iż stosowanie tych rozwiązań może odbić się niekorzystnie na poziome szumów w systemie lub też poziomie odrzucenia sygnału współbieżnego wzmacniacza instrumentalnego (CMRR). Co więcej pamiętać należy iż nie można tutaj zastosować najprostszego - teoretycznie - rozwiązania czyli odfiltrowania składowej stałej, gdyż uniemożliwiłoby to pomiary wolnozmiennych lub wręcz stałych wartości.
Wzmacniacze instrumentalne z pośrednim sprzężeniem prądowym (ICF, ang. [i]Indirect Current Feedback[i]) takie jak układy AD8237 lub AD8420 firmy Analog Devices, umożliwiają usunięcie z sygnału mierzonego offsetu zanim zostanie on wzmocniony na którymkolwiek stopniu wzmacniacza. Poniższy schemat pokazuje architekturę wzmacniacza ICF.
Funkcja przejścia wzmacniacza instrumentalnego z pośrednim sprzężeniem prądowym przyjmuje taką samą postać jak dla wzmacniacza opartego o trzy op-ampy i przyjmuje następującą postać:
Jako że pętla sprzężenia zwrotnego wzmacniacza wymusza aby napięcie pomiędzy wejściami było takie same jak napięcie pomiędzy pinem sprzężenia zwrotnego (FB) a pinem odniesienia (REF) równanie drugie możemy przepisać do postaci:
Równość ta sugeruje nam iż wprowadzenie napięcia równego napięciu offsetu pomiędzy pin pętli sprzężenia zwrotnego a pin referencyjny umożliwi adjustację wyjścia do zera woltów nawet w obecności dużego offsetu na wejściu. Jak pokazano na poniższym schemacie regulację taką można realizować poprzez wstrzykiwanie niewielkiego prądu w pętlę sprzężenia zwrotnego poprzez opornik RA. Do tego celu wykorzystane zostało proste źródło napięciowe, jakim może być przetwornik cyforowo-analogowy (DAC) lub odpowiednio odfiltrowany sygnał PWM wygenerowany przez na przykład mikrokontroler.
Projektowanie układu
Z równania trzeciego wiemy iż stosunek R1 do R2 wyznacza wzmocnienie układu, zgodnie z następującą zależnością:
Projektant systemu musi precyzyjnie dobrać wartości oporników. Oporniki o większej wartości rezystancji pozwalają na zmniejszenie zużycia mocy i zmniejszają obciążenie prądowe wyjścia wzmacniacza pomiarowego. Z kolei mniejsze wartości rezystancji ograniczają wejściowy prąd polaryzacji wejścia pętli sprzężenia zwrotnego FB i błędy wynikające z niedopasowania impedancji. Jeśli równolegle połączone z sobą oporniki R1 i R2 charakteryzują się wartością oporu powyżej 30 kΩ, mają także zauważalny wpływ na zwiększenie poziomu szumów w układzie. Poniższa tabela prezentuje proponowane wartości oporników do zastosowania w systemie.
| R1 (kΩ) | R2 (kΩ) | Wzmocnienie | Brak | Zwarcie | 1 | 49,9 | 49,9 | 2 | 20 | 80,6 | 5,03 | 10 | 90.9 | 10,09 | 5 | 95,3 | 20,06 | 2 | 97,6 | 49,8 | 1 | 100 | 101 | 1 | 200 | 201 | 1 | 499 | 500 | 1 | 1000 | 1001 |
W celu ułatwienia procesu wyznaczania wartości RA załóżmy pracę z symetrycznym zasilaniem i pinem odniesienia (REF) na potencjale masy. Napięcie VA jest znane i może przyjmować wartości tak ujemne jak i dodatnie. W takiej sytuacji napięcie wyjściowe opisać można następującym wzorem:
Warto zwrócić uwagę iż wzmocnienie od napięcia VA do wyjścia jest ujemne, przez co zależność jest odwrotna. Zwiększając napięcie VA zmniejszamy napięcie wyjściowe z wzmacniacza o napięcie z dzielnika złożonego z oporników R2 i RA. Ten stosunek umożliwia maksymalizację zakresu regulacji napięcia korekcji offsetu wejściowego. Ponieważ zakres ten jest liczony względem napięcia na wejściu układu precyzyjna regulacja korekcji możliwa jest nawet z źródłem napięcia o niskiej rozdzielczości. Jako że typowo RA jest dużo większe niż R1 równanie piąte można uprościć i zapisać w następującej postaci:
Aby wyznaczyć maksymalną wartość rezystancji opornika RA umożliwiającą maksymalizację zakresu regulacji korekcji offsetu wejściowego VIN(MAX) dla założonego zakresu napięć VA(MAX) kładziemy VOUT = 0 i rozwiązujemy równanie pozwalające wyznaczyć RA w następujący sposób:
Gdzie VIN(MAX) jest maksymalnym napięciem offsetu wejściowego które zakładamy iż może pochodzić z sensora. Z bliższej analizy równania piątego wynika także fakt iż wstrzykiwanie prądu do pętli sprzężenia zwrotnego modyfikuje wzmocnienie układu. Pomimo tego iż wpływ tego prądu na wzmocnienie jest niewielki możemy je przeliczyć do postaci:
Generalnie, w aplikacji z niesymetrycznym zasilaniem systemu kondycjonowania wyjścia z mostka pomiarowego, napięcie na pinie odniesienia (REF) powinno być powyżej masy systemu. Jest to szczególnie prawdziwe jeśli napięcie wyjściowe z mostka pomiarowego może przyjmować wartości ujemne i dodanie. Jeśli jako napięcie odniesienia podawane jest pewne napięcie VREF z źródła charakteryzującego się niską impedancją wyjściową, takiego jak dzielnik oporowy i bufor, tak jak pokazano to na poniższej ilustracji, równanie piąte przyjmuje postać:
Takie same rezultaty otrzymamy jeśli napięcie VOUT i VA liczone będą względem napięcia VREF w równaniu piątym. VA(MAX) - VREF powinno także zastąpić wyrażenie VA(MAX) w równaniu siódmym.
Przykładowy projekt systemu
Rozważmy zasilany napięciem niesymetrycznym mostek pomiarowy, taki jak jeden z pokazanych powyżej. W przykładzie tym napięcie zasilające wzmacniacz pomiarowy i pobudzające mostek wynosi 3,3 V. Pełny zakres wyjściowy mostjka pomiarowego w tym przykładzie wynosi ±15 mV, dodatkowo występuje offset wyjścia mostka wynoszący do ±25 mV. Aby układ charakteryzował się założoną czułością wzmocnienie układu musi wynosić 100 V/V. Zakres napięć wejściowych użytego w projekcie przetwornika ADC wynosi od 0 V do 3,3 V. Jako że napięcie wyjściowe z mostka może przyjmować wartości tak ujemne jak i dodanie jako napięcie odniesienia dla wzmacniacza instrumentalnego użyto napięcia o wartości 1,65 V, czyli połowie napięcia zasilającego. Z uwagi na występujący w systemie offset przy wzmocnieniu założonym w tym przykładzie sam wzmocniony sygnał offsetu w tym układzie na wyjściu przyjąć może wartości od -0,85 V do 4,15 V, znacznie przekraczając zakres napięć wejściowych przetwornika analogowo-cyfrowego czy nawet napięcie zasilające układ.
Problem ten rozwiążemy wykorzystując układ na schemacie pokazanym powyżej. Wzmacniacz pomiarowy A1 jest wzmacniaczem z pośrednim sprzężeniem prądowym, na przykład AD8237 firmy Analog Devices. Wzmacniacz A2, razem z opornikami R4 i R5 koryguje napięcie wyjściowe pod kątem offsetu tak iż wyjście wzmacniacza A1 dla zerowego wejścia znajduje się w połowie zakresu. Ośmiobitowy przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) AD5601 użyty jest do korekcji offsetu mostka poprzez opornik RA. Napięcie wyjściowe z opisywanego układu digitalizowane jest z wykorzystaniem przetwornika ADC o rozdzielczości 12 bitów (AD7091).
Z tabeli pokazanej powyżej odczytujemy iż dla wzmocnienia najbliższego założonemu oporniki R1 i R2 powinny charakteryzować się wartością rezystancji odpowiednio 1 i 100 kΩ. W rezultacie wzmocnienie wyniesie 101 V/V. Zawarty w układzie przetwornik DAC może generować napięcie od 0 V do 3,3 V czyli ±1,65 V, jeśli odniesie się je nie do masy a do napięcia odniesienia wzmacniacza pomiarowego równego połowie napięcia zasilania. Aby obliczyć wartość opornika RA korzystamy z równania szóstego. Zakładamy VA(MAX) = 1.65 V i VIN(MAX) = 0,025 V, co daje nam 65,347 kΩ. Przy zastosowaniu oporników z szeregu tolerancji 1% najbliższa wartość do 64,9 kΩ. Taka wartość opornika w układzie korekcji offsetu nie zostawia żadnego marginesu na błędy spowodowane precyzją źródła, wariacje wartości w funkcji temperatury i tym podobne. W związku z tym wykorzystamy jako RA opornik o rezystancji równej 49,9 kΩ. Jest to bardzo często spotykana wartość, co oznacza iż opornik ten jest łatwo dostępny u dostawców elementów elektronicznych. Wybranie mniejszej wartości RA wiąże się z zmniejszeniem rozdzielczości korekcji offsetu, co oznacza iż efektywny offset wyjściowy naszego układu będzie trochę większy.
Z równania siódmego wyznaczyć możemy efektywne wzmocnienie w takim układzie, które wyniesie 103 V/V. Jeśli projektant życzy sobie utrzymać je na poziomie bliższym założonemu 100 V/V możemy zmniejszyć R2 o około 3% do wartości 97,6 kΩ, co nie będzie miało znacznego wpływu na wartość opornika RA. W tych warunkach wzmocnienie całego układu wyniesie 100,6 V/V.
Z uwagi na zakres napięć wyjściowych z przetwornika DAC zakres regulacji offsetu zależny jest od dzielnika napięć złożonego z opornika RA i równolegle połączonych oporników R1 i R2. Możemy go wyznaczyć w następujący sposób:
Zakres regulacji offsetu ±32.1 mV przy założonym offsecie mostka ±25 mV zapewnia nam 28% marginesu. Przy rozdzielczości przetwornika równej 8 bitów rozdzielczość regulacji offsetu wejściowego wynosi:
Przy kroku regulacji wynoszącym 250 µV maksymalny offset wyjściowy układu wyniesie 12,5 mV.
Wartości R3 i C1 mogą być wyznaczone z wartości sugerowanych w karcie katalogowej przetwornika ADC. Dla układu AD7091, próbkującego z częstotliwością 1 MHz sugeruje się, odpowiednio, 51 Ω i 4,7 nF. Większe wartości mogą być zastosowane przy niższej częstotliwości próbkowania co zaowocuje zmniejszeniem szumów układu w tym tych wynikających z efektów aliasingu podczas digitalizacji.
Dodatkową zaletą proponowanego układu jest fakt iż regulację offsetu możemy przeprowadzać nie tylko podczas produkcji, ale także później. Możliwa jest kalibracja podczas instalacji układu a także implementacja rozwiązań pozwalających na kalibrację offsetu wyjściowego podczas pracy, co pozwala na uwzględnienie efektów wpływu środowiska na sensor, jego histerezy czy długoczasowego dryftu parametrów mostka.
Z uwagi na fakt iż układ AD8237 charakteryzuje się wejściem rail-to-rail najlepiej sprawdza się on w aplikacjach z bardzo niskimi napięciami zasilania. W tradycyjnych systemach przemysłowych, gdzie wymagane jest większe napięcie zasilania, dobrą alternatywą jest układ AD8420. Jest to także wzmacniacz instrumentalny z pośrednim sprzężeniem prądowym. Może być on zasilany napięciem od 2,7 V do 36 V. Poniższa tabela porównuje ich podstawowe cechy, bardziej szczegółowe informacje odnaleźć można w stosownych kartach katalogowych.
| AD8237 | AD8420 | Technologia wykonania | CMOS | Bipolar | Pobór prądu | 130 µA | 80 µA | Zakres napięć zasilania | 1.8 V do 5.5 V | 2.7 V do 36 V | Zakres napięć wejściowych | –VS – 0.3 V do +VS + 0.3 V | –VS – 0.15 V do +VS – 2.2 V | Differential Input Voltage Limit | ±(VS – 1.2) V | ±1 V | Wyjście rail-to-rail | Tak | Tak | CMRR (G = 100, dc to 60 Hz) | 114 dB | 100 dB | Napięcie offsetu | 75 µV | 125 µV | Dryft napięcia offsetu | 0.3 µV/°C | 1 µV/°C | Gęstość spektralna szumu napięciowego | 68 nV/√Hz | 55 nV/√Hz | Błąd wzmocnienia (G = 100) | 0.005% | 0.1% | Dryft wzmocnienia | 0.5 ppm/ °C | 10 ppm/ °C | Pasmo; –3 dB (G = 100) | 10 kHz w trybie HBW | 2.5 kHz | Obudowa | MSOP-8 | MSOP-8 |
Źródła:
http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/48-01/bridge_sensors.html
Fajne? Ranking DIY
